Toxicologia NMs bactericidas - Kenji Rodríguez (1)

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Instituto Tecnológico Superior de Ciudad Hidalgo.
Integrantes: Lizeth Abad Alvarez N19030592
Dexter dario Arcos mercado N19030582
Angel gabriel Paniagua Tinajero N19030580 
Yael Antonio Hernández rueda N19030595 
María Guadalupe Ruíz Alanís N19030575
Profesor: Yaned Milagros acosta Navarrete.
Tema: Toxicología de nanomateriales bactericidas.
Nano6 Unidad II
07/Marzo/2022 
 
1
Materiales Antibacterianos
Son aquellos que tienen la capacidad de reducir o eliminar microorganismos patógenos y cuya acción puede estar medida por dos mecanismos
Mecanismos
Efecto bacteriostático
Efecto bactericida
Clasificación 
 Materiales orgánicos
Materiales inorgánicos
Clasificación 
Materiales orgánicos 
Pueden ser extraídos o recolectados como producto de la secreción de organismos vivos.
 Suelen ser producidos como mecanismo de defensa contra la invasión de microorganismos.
Actúan a concentraciones muy bajas (1 y 4 mg/mL)
Materiales inorgánicos 
Incluyen los metales y los óxidos metálicos.
Representan buenas ventajas debido a su estabilidad y bioseguridad
Gramicidina y la Cúrcumina
Plata, el óxido de zinc, el dióxido de titanio y las de cobre.
Nanomateriales bactericidas
Los nanomateriales (NM), debido a sus propiedades físicas y químicas únicas pueden tener la propiedad bactericida 
Nanomateriales creados con especificidad 
Nanomateriales con la propiedad intrinseca 
Principales líneas de investigación en el desarrollo de Los NM antibacterianos
NM bidimensionales
Nanocompuestos
Materiales con liberación controlada de compuestos antibacterianos 
Enfoques de síntesis verde
Toxicidad de nanomateriales bactericidas
En el diseño y fabricación de NM antibacterianos, el enfoque es, en por un lado, en lograr una alta eficacia antibacteriana, y, por otro lado, medioambiental y seguridad de la salud humana 
Nanomateriales 
Actividad antibacteriana
Administración de fármacos y genes 
Ingeniería de tejidos e imágenes 
Toxicidad
 Relación de las características morfológicas con la magnitud de toxicidad liberada.  
Toxicidad de nanomateriales bactericidas 
Incertidumbre sobre los efectos y mecanismos de toxicidad in vivo de estos nanomateriales. 
Alteración de los procesos de señalización celular
Las nanopartículas metálicas pueden afectar la estabilidad de la membrana celular
Daños en el núcleo celular, mitocondrias y lisosomas. 
Los NM pueden inducir una producción anormal de especies de oxígeno reactivo 
Citotóxicos y genotóxicos  
Inmunogenicidad
Bioacumulación
Daños estructurales 
Morfologías aberrantes en los organismos. 
Interacción con biomoléculas 
Perturbación de la estructura celular  
Nanotoxicología: retos y perspectivas
¿Por qué el desafío?
Tamaño e interacciones con el medio
Novedosos en términos evolutivos 
Fácil acceso al cuerpo y traslado a sitios distantes
Correlación tamaño y forma 
Pobre caracterización de los NM
Falta de estandarización de las condiciones de experimentación
Aspectos relativos a los estudios de la toxicidad de los NM 
NM´s en el mundo real 
Los NM pueden estar en muy bajas concentraciones, y, además, son propensos a diversas transformaciones
Modelos biológicos
Transcriptómica, proteómica y metabolómica
Análisis de composición química y elemental como la espectroscopía de infrarrojos por transformada de Fourier, o la espectroscopía de rayos X de energía dispersiva (EDX)
Cuantitativas, como el análisis de plasma de acoplamiento inductivo (ICP) por medio de espectrofotometría de emisión óptica (OES).
Predicción de escenarios de riesgo
Es fundamental evaluar la toxicidad de los NMIB con base en estimaciones reales de la exposición en lugar de probar bajo condiciones irreales. 
Parámetros a considerar
Concentración
Estabilidad
Modo y tiempo de exposición
Efecto de las condiciones del entorno
Proceso General 
Proceso toxicológico de materiales en las bacterias
NPs metálicas
Propiedades bacteriostáticas y bactericidas
Incremento en el área de contacto
Aumentando sus actividades físicas y químicas
La estructura física de una NP y la forma en que interactúa y penetra en las bacterias parece proporcionar mecanismos bactericidas únicos.
AgNPs
Proceso general (en bacterias)
Contacto con la pared celular bacteriana (interacciones electrostáticas)
Liberación de iones (altera la permeabilidad)
Favorece la penetración de las NPs y su posterior interacción con los componentes intracelulares
Las interacciones de los iones con los componentes y provoca la formación de coronas proteicas
Efectos
Causan daños estructurales en la membrana celular
Generan especies reactivas de oxígeno (ros)
Interfieren con la fosforilación de proteínas
Peroxidación de lípidos, dañando la integridad de la membrana celular por estrés oxidativo
Provocan daño al material genético de los microrganismos
Afecta el proceso de replicación.
 Mecanismo de acción de las nanopartículas sobre células bacterianas. 
 Diferentes efectos de las NPs metálicas más comunes: AgNPs, ZnONPs y TiO₂NPs.
 Uso de nanomateriales como antimicrobianos y en diferentes aplicaciones para el combate de las infecciones microbianas
Ejemplos 
ZnO, Fe3O4 y ZnO@Fe3O4 en Staphylococcus aureus y Helicobacter pylori
Efectos en la las bacterias 
Actúan para generar la muerte celular
Alteración en el metabolismo celular 
ZnO
Excelentes propiedades optoelectrónicas
Mejorar su estabilidad química y elucidar la biocompatibilidad
Grafeno 
Es una capa atómica única bidimensional de átomos de carbono 
Hibridación sp2
Forma hexagonal.
Excelente conductividad eléctrica, resistencia mecánica y propiedades de absorción óptica.
Se producen mediante exfoliación química de oxido de grafito (GtO).
Grafeno, el GO y el GO reducido (rGO)
El mas empleado para la parte bactericida son las nanohojas de GO. 
Efecto Mecanobactericida 
Dos impactos mecánicos sugeridos en la membrana lipídica debido a la interacción con el borde afilado de una escama de grafeno: (a) la extracción de los lípidos de la membrana y (b) la formación de un poro debido a la reorientación de las colas de los lípidos hacia la superficie del grafeno; las cabezas de los lípidos se invierten en el poro. (i) Colas alrededor de la escama de grafeno y (ii) fracción de volumen de lípidos en el régimen de formación de poros. 
Nanopartículas de óxido de hierro
Estrés oxidativo por generación de ROS:
Daño en el ADN
Disfunción de la membrana mitocondrial 
Alteraciones en la dinámica del ciclo celular
Peroxidación lipídica
La iniciación es el paso en donde el radical de ácido graso es producido.
La propagación: 
Reacciona rápidamente con oxígeno molecular, creando de este modo un ácido graso peroxil radical.
La terminación, la reacción radical se detendrá cuando dos radicales reaccionan y producen una especie no radical.
Si la reacción no es terminada con rapidez, habrá cambios de la fluidez, permeabilidad, transporte y capacidad celular. 
Efecto bactericida de AgNPs
Actividades antibacterianas  Formación de ROS y la alteración de la funcionalidad de la membrana
ROS provoca estrés oxidativo  Daño celular
Iones liberados  Interrupción de la funcionalidad de la membrana
Teorías propuestas sobre el mecanismo bactericida
 
	Una interrupción de la funcionalidad de la membrana a partir de una interacción entre los iones Ag + liberados y la membrana celular. 
	Un daño extenso de la membrana celular causado por la formación de especies reactivas de oxígeno (ROS) 
Efecto bactericida de AuNPs
El oro en forma de NPs presenta cierta actividad bactericida, aunque es mucho menor en comparación con la de AgNPs
El efecto bactericida procede de dos formas principales:
Fullerenos y su efecto bactericida.
Los fullerenos son una familia de NM constituida exclusivamente por átomos de carbono.
El miembro más simple de esta familia y el más común es el fullereno C60 
Funcionalización de Fullerenos:
Polihidroxiladode fullereno C60 (Fullerol):
Mayor solubilidad en agua= mayor efecto bactericida.
Proceso inhibitorio de bacterias por fullerenos.
Producción de ROS (oxígeno reactivo) que provoca la peroxidación lipídica en la membrana celular.
Efecto bactericida de Fullerenos
El cambio en la coloración muestra que existe actividad antimicrobiana del compuesto.
Fucsia: Cantidad de bacterias vivas.
Morado: Cantidad de inhibición.
Nanopartículas de TiO2
El TiO2 presenta acción foto degradante.
Por medio de ROs( radicales hidroxilo y peróxido de hidrogeno).
Destruye la pared celular y la membrana plasmática.
Fotocatálisis:
El TiO2 es excitado por rayos UV, un fotón con energía que supera el Ban-Gap promueve un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción generando un par electrón/hueco (e-/h+).
Resultados de una cepa de E.Coli tratado con TiO2 
Referencias 
Claudia Patricia Betancur Henao, V. H. (02 de Marzo de 2017). Nanopartículas para materiales antibacterianos. Obtenido de http://scielo.sld.cu/pdf/ibi/v35n4/ibi09416.pdf
Eduardo, D. d. (21 de Noviembre de 2016). Síntesis, caracterización y evaluación de la toxicidad y bioactividad de materiales nano-estructurados de ZnO, Fe3O4 y ZnO@Fe3O4. Obtenido de http://bdigital.dgse.uaa.mx:8080/xmlui/handle/11317/1250
Huang, Wenqian; Tao, Fang; Li, Fangfang; Mortimer, Monika; Guo, Liang-Hong (2020). Antibacterial nanomaterials for environmental and consumer product applications. NanoImpact, 20(), 100268–. doi:10.1016/j.impact.2020.100268 
Referencias 
Linklater Denver P., Baulin Vladimir A., Juodkazis Saulius and Ivanova Elena P. 2018 Mechano-bactericidal mechanism of graphene nanomaterials Interface Focus. 820170060. 20170060. https://doi.org/10.1098/rsfs.2017.0060
Referencias 
Sebastiá, P. Á. NUEVAS APROXIMACIONES EN NANOMEDICINA CONTRA BACTERIAS MULTIRRESISTENTES: NANOPARTÍCULAS INORGÁNICAS.
Vázquez-Muñoz, R., & Huerta-Saquero, A. (2018). Toxicidad de los nanomateriales de interés biomédico en los sistemas biológicos. Mundo nano. Revista interdisciplinaria en nanociencias y nanotecnología, 11(20), 65-75.
Vimbela, GV, Ngo, SM, Fraze, C., Yang, L. y Stout, DA (2017). Propiedades antibacterianas y toxicidad de los nanomateriales metálicos. Revista internacional de nanomedicina , 12 , 3941–3965. https://doi.org/10.2147/IJN.S134526