Las bacterias que viven en la placa dental y que contribuyen a la caries dental a menudo se resisten tratamiento antimicrobiano tradicional, ya que se pueden «ocultarse» dentro de una matriz de biopelícula pegajosa, un esqueleto de polímero similar al pegamento.

[media-credit name=»University of Pennsylvania» align=»aligncenter» width=»562″][/media-credit]Una nueva estrategia concebida por investigadores de la Universidad de Pennsylvania adoptaron un enfoque más sofisticado. En lugar de la simple aplicación de un antibiótico para los dientes, se aprovecharon de las propiedades sensibles al pH y enzimas similares a las nanopartículas que contienen hierro para catalizar la actividad de peróxido de hidrógeno, un antiséptico natural que se utiliza comúnmente. El peróxido de hidrógeno activado produce radicales libres que son capaces de degradar al mismo tiempo la matriz de la biopelícula y matar las bacterias en el interior, reduciendo significativamente la placa y previniendo la caries dental, o cavidades, en un modelo animal.

«Incluso el uso de una concentración muy baja de peróxido de hidrógeno, el proceso fue muy eficaz en la interrupción de la biopelícula«, dijo Hyun (Michel) Koo, profesor en la Penn School of Dental Medicine’s Department of Orthodontics (Escuela de Penn del Departamento de Ortodoncia de la medicina dental) y las divisiones de Odontología Pediátrica y la Comunidad y Oral la salud, autor principal del estudio, que fue publicado en la revista Biomaterials (Biomateriales). «Agregar nanopartículas aumento la eficiencia de la destrucción bacteriana en más de 5 mil veces«.

El autor principal del trabajo fue Lizeng Gao, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Koo. Los co-autores fueron Yuan Liu, Dongyeop Kim, Yong Li y Geelsu Hwang, todos miembros del laboratorio de Koo, así como David Cormode, profesor asistente de radiología y bioingeniería con asignaturas en la Escuela de Medicina de Perelman de Penn y la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, y Pratap C. Naha, estudiante postdoctoral en el laboratorio de Cormode.

El trabajo de construcción de un descubrimiento fundamental por Gao y sus colegas, publicado en 2007 en la revista Nature Nanotechnology, en donde se muestra que las nanopartículas, creyó durante mucho tiempo que son biológicamente y químicamente inertes, de hecho, podría poseen propiedades enzimáticas similares. En ese estudio, Gao mostró que una nanopartícula de óxido de hierro se comportó de manera similar a una peroxidasa, una enzima que se encuentra naturalmente y que cataliza reacciones de oxidación, a menudo usando en el peróxido de hidrógeno.

Cuando Gao se unió al laboratorio de Koo en 2013, propuso el uso de estas nanopartículas en un entorno oral, como la oxidación de peróxido de hidrógeno produce radicales libres que pueden matar bacterias.

«La primera vez que me lo presentó, yo me encontraba muy escéptico«, dijo Koo, «porque estos radicales libres también pueden dañar el tejido sano. Pero luego se refutó eso y me dijo que esto es diferente porque la actividad de las nanopartículas depende del pH«.

Gao había encontrado que las nanopartículas no tenían actividad catalítica a pH neutro o casi neutro de 6.5 o 7, valores fisiológicos que se encuentran típicamente en la sangre o en una boca sana. Pero cuando el pH fue ácido, más bien cerca de 5, se convierten en muy activos y pueden producir rápidamente los radicales libres.

El escenario era ideal para la orientación de la placa, que puede producir un microambiente ácido cuando se expone a los azúcares.

Gao y Koo se acercaron a Cormode, que tenía experiencia trabajando con nanopartículas de óxido de hierro en un contexto de formación de imágenes radiológicas, para ayudarles a sintetizar, caracterizar y evaluar la eficacia de las nanopartículas, varias formas de las cuales ya están aprobadas por la FDA para la formación de imágenes en los seres humanos.

A partir de los estudios in vitro, que implicaban el crecimiento de un biofilm que contiene las bacterias Streptococcus mutans que causan caries en una superficie de dientes similar al esmalte y luego exponiéndolo a azúcar, los investigadores confirmaron que las nanopartículas adheridas a la biopelícula, se mantienen incluso después del tratamiento detenido y podría catalizarse eficazmente peróxido de hidrógeno en condiciones ácidas.

También mostraron que la reacción de las nanopartículas con una solución de 1% o menos de peróxido de hidrógeno era notablemente más eficaz en matar bacterias, acabando con más de 99.9% de los S. mutans en la biopelícula en un tiempo de 5 minutos, una eficacia que es más de 5 mil veces mayor que solo utilizando peróxido de hidrógeno. Algo aún más prometedor, demostraron que el régimen de tratamiento, que implica un tratamiento tópico de de las nanopartículas de 30-segundo, seguido de un tratamiento de 30 segundos con peróxido de hidrógeno, podría romper los componentes de la matriz del biofilm, esencialmente es la eliminación del andamio pegajosa de protección.

Pasando a un modelo animal, aplicaron el peróxido de nanopartículas y de hidrógeno por vía tópica en los dientes de ratas, que se pueden desarrollar caries cuando se encuentran infectadas con S. mutans al igual que sucede en los humanos. Dos veces al día, los tratamientos de un minuto durante 3 semanas redujo significativamente el inicio y la gravedad de las lesiones de caries, término clínico para la caries dental, en comparación con el grupo de control con solo el tratamiento con peróxido de hidrógeno. Los investigadores no observaron efectos adversos sobre la encía o en los tejidos blandos de la boca del tratamiento.

«Es muy prometedor«, dijo Koo. «La eficacia y la toxicidad deben ser validados en estudios clínicos, pero creo que el potencial está ahí«.

Entre las características atractivas de la plataforma es el hecho de que los componentes son relativamente económicos.

«Si nos fijamos en la cantidad que se necesita para una dosis, se requiere de algo así como 5 miligramos,» dijo Cormode. «Es una pequeña cantidad de material, y las nanopartículas se sintetizan con bastante facilidad, por lo que estamos hablando de un costo de centavos de dólar por dosis«.

Además, la plataforma utiliza una concentración de peróxido de hidrógeno, 1%, que es inferior a muchos sistemas de blanqueamiento dental disponibles en la actualidad que utilizan concentraciones de 3 a 10%, lo que minimiza la posibilidad de efectos secundarios negativos.

De cara al futuro, Gao, Koo, Cormode y sus colegas esperan continuar refinando y mejorando la eficacia de la plataforma de nanopartículas para luchar contra las biopelículas.

«Estamos estudiando el papel de los recubrimientos de nanopartículas, composición, tamaño y así sucesivamente para que podamos diseñar las partículas para obtener un mejor rendimiento«, dijo Cormode.

El estudio fue financiado por:

• Association for Dental Research/GlaxoSmithKline Innovation in Oral Health Award, Asociación Internacional para la Investigación Dental / GlaxoSmithKline Premio de Innovación en Salud Oral
• National Science Foundation (Fundación Nacional de Ciencias)
• University of Pennsylvania Research Foundation (Fundación de investigación de la Universidad de Pennsylvania).

Referencias

• Lizeng Gaoa, Yuan Liua, Dongyeop Kima, Yong Lia, Geelsu Hwanga, Pratap C. Nahac, David P. Cormodec, Hyun Kooa; Nanocatalysts promote Streptococcus mutans biofilm matrix degradation and enhance bacterial killing to suppress dental caries in vivo; Biomaterials, Volume 101, September 2016, Pages 272–284: doi:10.1016/j.biomaterials.2016.05.051