Estudio termodinámico del crecimiento bacteriano bajo el efecto de metales usados en cirugía ortopédica

Resumen

Introducción La cirugía de reemplazo articular está aumentando en conjunto con la creciente esperanza de vida. Hoy en día, las infecciones periprotésicas pueden ocurrir incluso después de tomar las medidas tecnológicas más novedosas para prevenirlas. La contaminación de las superficies metálicas con biofilm bacteriano no solo causa enfermedades graves a muchas personas, sino que a veces también es difícil de diagnosticar y generan enormes costos al sistema sanitario. Como parte de la revisión de la literatura llevada a cabo, se realizó una descripción de la ciencia metalúrgica y la composición de los implantes utilizados en la cirugía ortopédica. La mayoría de las prótesis que se utilizan actualmente están hechas con aleaciones de titanio, cobalto-cromo y acero inoxidable, con diferentes concentraciones de manganeso, hierro, entre otros. El análisis microcalorimétrico de especies bacterianas nos permite conocer en tiempo real el patrón de crecimiento de diferentes microorganismos. Durante muchos años, la calorimetría se ha utilizado como técnica para estudiar la actividad microbiana en el campo de la microbiología en diferentes condiciones. Varios estudios se han centrado en el crecimiento bacteriano de microorganismos únicos, otros han evaluado la interacción entre diferentes microorganismos, así como la discriminación entre cepas de la misma especie bacteriana, evaluación de la actividad antimicrobiana de diferentes fármacos, entre otros. Sin embargo, no se han publicado estudios termodinámicos de sensibilidad bacteriana a soluciones metálicas. En esta tesis experimental, las curvas de crecimiento de Pseudomona aeruginosa, protagonista importante de muchas infecciones graves en la práctica clínica, se analizan termodinámicamente cuando las bacterias se exponen a diferentes soluciones metálicas. Dichas soluciones incluyen metales usados comúnmente en prótesis articulares y además se comparan con otras soluciones metálicas con efecto bactericida conocido. Metodología Se obtuvieron muestras de bacterias de la American Type Culture Collection: Pseudomona aeruginosa (ATCC 27853). Estas bacterias se inocularon en placas de agar sangre y se incubaron a 309,65 K durante 24 h. Las placas de agar sangre con múltiples colonias bacterianas se usaron para preparar suspensiones bacterianas, cuyas concentraciones se ajustaron al correspondiente 0,5 de la escala de McFarland. Las suspensiones se diluyeron con solución salina estéril al 0,9% para obtener una concentración final de 106 UFC / ml. Soluciones metálicas de nitrato de plata, sulfato de cobre, sulfato de zinc, acetato de manganeso, tetracloruro de titanio, acetato de cobalto y nitrato de hierro se prepararon a diferentes concentraciones expresadas en mili molar. Como medio de cultivo, se utilizó caldo digerido de soja- caseína con CO2. La celda de referencia se llenó con 6 ml de medio de cultivo, 1 ml de solución metálica y 1 ml de suero fisiológico. Este último fue reemplazado por la suspensión bacteriana en la célula experimental. Ambas células se esterilizaron mediante autoclave antes de usar. Las medidas se llevaron a cabo en un microcalorímetro Calvet. Este está equipado con un dispositivo que permite la operación en ausencia de fase de vapor, y tiene dos celdas (experimental y de referencia) de acero inoxidable con tapa de rosca de Teflón® de aproximadamente 10 cm3. Ambas celdas se introdujeron en la cámara de termopila interna, a través de dos orificios cilíndricos alineados en paralelo, que se extienden desde la parte superior del microcalorímetro hasta la cámara de termopila interna. Un multímetro Philips PM2535 y un sistema de adquisición de datos se conectaron al microcalorímetro. Se usó una fuente de corriente estabilizada Setaram EJP30 para realizar una calibración eléctrica. La precisión en la señal calorimétrica alcanzada fue de ± 1 µV. Se mantuvo una temperatura constante de 309,65 K en la cámara exterior del calorímetro. Los datos se recopilaron mediante el sistema de adquisición y procesamiento de datos, a intervalos de 22,2 segundos durante un máximo de 48 horas. Además, todas las muestras fueron sometidas a control de pH, tanto antes como después de cada experimento utilizando un pH-Meter BASIC 20+. Resultados Se ilustraron los termogramas obtenidos de las preparaciones bacterianas y su exposición a diferentes concentraciones de las disoluciones metálicas. Estos termogramas se obtuvieron representando la señal de voltaje (en unidades de micro voltios), que es la diferencia de potencia de calor dentro del calorímetro frente al tiempo, en forma de curvas. Los resultados experimentales se analizaron cuantitativa y cualitativamente. Los picos máximos de voltaje (Vmax) se ubicaron en cada termograma. Además, se calculó el área bajo la curva (AUC) y la cantidad total de calor intercambiado (Q) de todas las experiencias. La mayoría de las soluciones metálicas utilizadas en los experimentos de laboratorio produjeron inhibición del crecimiento de bacterias con diferentes niveles de eficacia; determinándose de esta manera, concentraciones especificas de soluciones metálicas capaces de afectar el metabolismo bacteriano. También se realizó un análisis comparativo de las distintas experiencias. El nitrato de plata mostró el mayor efecto bactericida, seguido por sulfato de cobre y en orden decreciente por sulfato de zinc, acetato de manganeso, tetracloruro de titanio, acetato de cobalto y nitrato férrico. La mayoría de las soluciones analizadas mostraron solo efecto bactericida. Sin embargo, las soluciones con hierro fueron capaces de aumentar el metabolismo de las bacterias en un determinado rango de concentraciones. Con respecto a la evolución del pH, las muestras experimentales tendieron a alcalinizarse al final de las experiencias en la mayoría de las mediciones. Conclusiones Este trabajo experimental utilizó microcalorimetría para analizar el crecimiento bacteriano de Pseudomona aeruginosa bajo la exposición a disoluciones metálicas, que incluyeron metales utilizados en prótesis articulares que se utilizan actualmente en cirugía ortopédica y traumatología. No se hallaron estudios, de este ámbito, publicados previamente en la literatura. Los resultados de este estudio mostraron concordancia con el potente efecto bactericida de algunos metales reportados, como es el caso de nitrato de plata y cobre. Algunos de estos metales están siendo utilizados actualmente en el entorno médico y otras industrias para aprovechar sus capacidades antimicrobianas. Sin embargo, la potencial propiedad que tiene el hierro de estimular el metabolismo bacteriano es poco comprendida y escasamente publicada, no tomándose en consideración en la práctica clínica habitual. En cuanto a los resultados obtenidos con las soluciones metálicas, que contienen metales importantes en la composición de prótesis articulares comúnmente utilizadas, podrían significar que las aleaciones metálicas que contienen una mayor cantidad de manganeso y titanio tienen mayores propiedades antisépticas que las aleaciones a base de cobalto y hierro. En vista de que la cirugía de reemplazo articular está aumentando a nivel mundial y las infecciones periprotésicas son complicaciones comunes y severas, entre las potenciales implicaciones y líneas de investigación de este trabajo experimental se podrían incluir: una mayor comprensión de la capacidad que tiene el hierro de estimular el crecimiento bacteriano, el uso de microcalorimetría para el diagnóstico de infecciones periprotésicas (p. ej. desarrollando dispositivos que podrían colocarse en áreas de interés, o con recolección de datos de forma remota del calor generado alrededor de implantes), y cambios en la fabricación de aleaciones metálicas de prótesis articulares que alteren su composición o recubrimiento, de tal forma de reducir la incidencia de infecciones.