Nanotehnologia transformă oțetul obișnuit într-un ucigaș care salvează vieți combătând infecțiile bacteriene rezistente

Rezistența antimicrobiană bacteriană (antimicrobial resistance – AMR) reprezintă o amenințare globală majoră, fiind responsabilă pentru peste 4,5 milioane de decese anual. Această criză sanitară afectează în special pacienții imunocompromiși – precum cei cu cancer, transplant de organe, infecție HIV sau boli cronice hepatice și renale – și este agravată de lipsa antibioticelor inovatoare capabile să combată tulpinile multirezistente. 
În prezent, doar două molecule aflate în dezvoltare îndeplinesc criteriile de inovație definite de Organizația Mondială a Sănătății, care includ compuși cu structură chimică nouă, mecanisme de acțiune diferite, ținte microbiene noi și absența rezistenței încrucișate. În acest context, nanoparticulele ultrasmale apar ca o alternativă promițătoare, combinând proprietăți fizico-chimice unice cu capacitatea de a interfera multifuncțional cu bacteriile patogene.

Printre aceste materiale, punctele cuantice de carbon (carbon quantum dots - CQDs) se disting prin biocompatibilitate ridicată, hidrofilie și monodispersitate, ceea ce previne bioacumularea. Datorită structurii lor, acești nanomateriali pot fi funcționalizați cu metale de tranziție sau liganzi organici, conferindu-le activități antimicrobiene și antioxidante variate.

În același timp, acidul acetic diluat este cunoscut pentru proprietățile sale antiseptice blânde și capacitatea de a menține un pH optim pentru vindecarea rănilor. În concentrații reduse (sub 3%), acesta favorizează regenerarea tisulară fără a provoca disconfort dermic. Însă acțiunea sa bactericidă directă este limitată, având eficiență ridicată doar asupra unor specii, cum ar fi Pseudomonas aeruginosa.

Despre studiu

Studiul publicat în jurnalul ACS Nano a fost conceput pentru a combina efectele acidului acetic slab (0,06%, pH 5,5) cu nanoparticulele de tip carbon quantum dot dopate cu cobalt (Co-CQDs), evaluând activitatea antimicrobiană sinergică împotriva speciilor patogene Staphylococcus aureus (rezistent la meticilină și oxacilină – MRSA), Escherichia coli și Enterococcus faecalis.

Sinteză și caracterizare

Co-CQDs au fost obținute printr-o metodă hidrotermală utilizând hexamin cobalt clorură (HACC) ca sursă de cobalt și azot. Microscopul electronic de transmisie (TEM) a arătat particule monodisperse de 1,2–4,0 nm (medie 2,6 nm), iar analiza XPS a confirmat compoziția de 64,7% carbon, 2,3% cobalt și 3,3% azot. Spectrele FTIR au evidențiat prezența grupărilor carboxilice, ceea ce explică interacțiunea particulelor cu membranele celulare.

Proprietăți antimicrobiene

În culturi lichide, Co-CQDs au arătat o activitate bactericidă puternică, în special în mediul acid (pH 5,5). Valorile concentrației minime bactericide (MBC) au fost:

• MRSA: 38 μg/mL
• E. coli: 75 μg/mL
• E. faecalis: 75 μg/mL

În condiții neutre (pH 7,0), aceste valori au crescut semnificativ, ceea ce indică faptul că acțiunea Co-CQDs este favorizată de mediul ușor acid.

Mecanism de acțiune

Imagistica TEM a arătat că, în prezența acidului acetic, celulele bacteriene prezintă umflare osmotică și detasarea membranei citoplasmatice. Această permeabilizare facilitează pătrunderea nanoparticulelor, care induc:

• formarea de specii reactive de oxigen – peroxizi și superoxizi;
• hiperpolarizarea membranelor bacteriene și pierderea potențialului transmembranar;
• distrugerea peretelui celular și eliberarea conținutului citoplasmatic.

Analiza transcriptomică a bacteriilor expuse la Co-CQDs în mediu acid a evidențiat supresia genelor implicate în fosforilarea oxidativă și activarea genelor de stres oxidativ (inclusiv ahpC, mcsB, clpB, acnA), confirmând mecanismul de ucidere bazat pe stres oxidativ și disfuncție metabolică.

Rezultate in vivo

Pentru evaluarea eficacității terapeutice, șoareci C57BL/6 au fost infectați cu MRSA (1,3 × 10⁷ CFU) și tratați topic cu Co-CQDs (1,09 mg/kg). După 24 de ore, încărcătura bacteriană a scăzut cu 4,3 log (99,995% reducere). După 7 zile de tratament, infecțiile au fost complet eradicate, iar viteza de vindecare a rănilor a fost identică cu cea a rănilor neinfectate.

Analiza histologică (H&E) a arătat o restaurare completă a epidermului, granulație uniformă și neovascularizare evidentă. Imunofluorescența a confirmat scăderea markerilor inflamatori (F4/80, iNOS, MPO) în rănile tratate, sugerând reducerea infiltratului imun și controlul infecției.

Biocompatibilitate

Testele efectuate pe fibroblaste dermice umane (dFIB) au demonstrat o viabilitate celulară >95% la concentrații până la 100 μg/mL și de 76% la 500 μg/mL, fără alterarea capacității de proliferare după restabilirea mediului neutru. În modelele animale, nu s-au observat efecte adverse sistemice, modificări de greutate corporală sau întârzieri în vindecarea rănilor.

Interpretare

Rezultatele evidențiază potențialul nanomaterialelor cu dimensiuni sub 5 nm ca agenți antimicrobieni de nouă generație. Co-CQDs s-au dovedit mai eficiente decât alte forme de materiale cu dimensiuni reduse (low-dimensional materials), cum ar fi nanotuburile sau foile de grafenă, având avantajul unei difuzibilități pasive în celulele bacteriene fără a necesita surse externe de energie (ex. iradiere laser).

În comparație cu nanoparticulele de argint – standardul actual în domeniu – Co-CQDs conțin doar 2,3% cobalt, dar ating o eficiență similară cu o toxicitate mult mai redusă și fără necesitatea unei modificări de suprafață post-sinteză.

Autorii sugerează aplicabilitatea platformei Co-CQD în materiale medicale implantabile (fire de sutură, proteze ortopedice, plase chirurgicale) și în tratamentul infecțiilor cutanate cronice. Dimensiunile ultrasmale și sarcina electrică scăzută cresc probabilitatea eliminării renale fără bioacumulare, făcând această tehnologie atractivă pentru utilizare sistemică.

Limitări

Modelul murin utilizat prezintă diferențe față de vindecarea rănilor la om, unde închiderea are loc predominant prin re-epitelizare, nu prin contracție. De asemenea, durata studiului (7 zile) nu permite evaluarea efectelor sistemice pe termen lung. Viitoare cercetări ar trebui să includă modele animale mari (ex. porc) și studii de distribuție tisulară și excreție a nanoparticulelor.

Concluzii

Combinația dintre acidul acetic slab (pH 5,5) și nanoparticulele de tip Co-CQDs oferă o strategie inovatoare, biocompatibilă și eficientă împotriva infecțiilor bacteriene rezistente, fără utilizarea antibioticelor clasice.

În mediul acid, bacteriile devin permeabile, permițând pătrunderea nanoparticulelor, care generează specii reactive de oxigen și provoacă moarte celulară. Tratamentul s-a dovedit sigur pentru celulele umane și eficient în eliminarea infecțiilor MRSA la animale, deschizând calea către noi terapii antimicrobiene non-antibiotice pentru leziuni cronice și infecții spitalicești.