Estudio del efecto antibacteriano de bio(nano)materiales contra microorganismos patógenos productores de mastitis bovina

Abstract

La mastitis bovina se define como una inflamación en la glándula mamaria y es considerada la enfermedad infecciosa del ganado lechero de mayor impacto económico en la explotación láctea argentina y mundial. Si bien existe una gran variedad de medidas de control de la enfermedad, en la actualidad, la aplicación intramamaria de antibióticos es la medida más efectiva para prevenir nuevas infecciones y tratar las existentes, lo que conlleva a un uso indiscriminado de antibióticos, incluso con fines profilácticos. Sin embargo, uno de los principales inconvenientes de la terapia con antibióticos es que favorece la selección de cepas resistentes en la población microbiana e influye negativamente en el tratamiento de la enfermedad. El mayor desafío de la industria lechera moderna es reducir el uso de antibióticos en animales productores de alimentos para el consumo humano. En este contexto, la investigación se ha orientado hacia la búsqueda de nuevos métodos de control alternativos basados en el desarrollo de nanopartículas metálicas, especialmente de plata, como un enfoque innovador para controlar las infecciones.En el presente trabajo, el desarrollo de procesos sintéticos green ha permitido de manera reproducible, rápida y eco-amigable, la obtención de nanopartículas de plata que fueron luego caracterizadas fisicoquímicamente. Se ensayaron las nanopartículas de plata en Staphylococcus aureus, Streptococcus uberis y Escherichia coli, principales especies bacterianas causantes de mastitis bovina, evidenciando un excelente efecto antibacteriano a muy bajas concentraciones (del orden del pM). Si bien se ha reportado que las nanopartículas de plata intervienen en una amplia gama de procesos moleculares dentro de los microorganismos, el mecanismo de acción antibacteriano aún no está completamente establecido. Sobre la base de esto, se llevaron a cabo ensayos de interacción de las nanopartículas de plata con membranas modelo y microorganismos y se evaluó la generación de estrés oxidativo. Se demostró que la membrana no sería el blanco de acción per se de las nanopartículas de plata, aunque actuaría concentrando las mismas de manera localizada. Sumado a esto, dichas nanopartículas son capaces de generar una condición de estrés oxidativo en los microorganismos evaluados, principalmente por la vía oxidativa, y el daño llega incluso a la oxidación de proteínas. En vista de la posible utilización de las nanopartículas de plata como método preventivo en mastitis bovina, se evaluó la capacidad de las mismas para inhibir la adherencia de los patógenos más prevalentes en esta infección intramamaria a células MAC-T. A la concentración que se evaluaron, las nanopartículas de plata no produjeron una disminución en la cantidad de patógenos adheridos demostrando que, no serían una buena estrategia preventiva en cuanto a la reducción de la adherencia de los patógenos.Se demostró además, que las nanopartículas de plata resultaron tóxicas para las células MAC-T a concentraciones iguales o mayores a la concentración inhibitoria mínima de los patógenos evaluados, aunque podrían utilizarse a concentraciones menores. Los resultados del presente trabajo indican que, a pesar del excelente efecto antibacteriano sobre cepas productoras de mastitis bovina, debido a su carácter citotóxico, las nanopartículas de plata no podrían ser utilizadas como estrategia alternativa para el control de esta infección.

Bovine mastitis is defined as an inflammation in the mammary gland and is considered the infectious disease of dairy cattle with the greatest economic impact in the dairy exploitation in Argentina and worldwide. Although there is a wide variety of measures to control the disease, at present, the intramammary application of antibiotics is the most effective measure to prevent new infections and treat existing ones, which leads to an indiscriminate use of antibiotics, even for prophylactic. However, one of the main drawbacks of antibiotic therapy is that it favors the selection of resistant strains in the microbial population and has a negative influence on the treatment of the disease. The biggest challenge for the modern dairy industry is to reduce the use of antibiotics in animals that produce food for human consumption. In this context, research has been oriented towards the search for new alternative control methods based on the development of metallic nanoparticles, especially silver, as an innovative approach to control infections. In the present work, the development of synthetic green processes has allowed in a reproducible, quick and eco-friendly way, the obtaining of silver nanoparticles that were then characterized physicochemically. The silver nanoparticles were tested in Staphylococcus aureus, Streptococcus uberis and Escherichia coli, the main bacterial species that cause bovine mastitis, showing an excellent antibacterial effect at very low concentrations (order of pM). Although it has been reported that silver nanoparticles are involved in a wide range of molecular processes within microorganisms, the mechanism of antibacterial action is not yet fully established. Based on this, interaction assays of the silver nanoparticles were carried out with model membranes and microorganisms and the generation of oxidative stress was evaluated. It was demonstrated that the membrane would not be the target of action per se of the silver nanoparticles, although it would act by concentrating them in a localized manner. Added to this, the silver nanoparticles are able to generate a condition of oxidative stress in the microorganisms evaluated, mainly by the oxidative route, and the damage even reaches the oxidation of proteins. In view of the possible use of silver nanoparticles as a preventive method in bovine mastitis, the ability of them to inhibit the adherence of the most prevalent pathogens in this intramammary infection to MAC-T cells was evaluated. At the concentration that the AgNPs were evaluated, they did not produce a decrease in the amount of adherent pathogens showing that they would not be a good preventive strategy in terms of reducing the adherence of pathogens. It was also shown that the silver nanoparticles were toxic for MAC-T cells at concentrations equal to or higher than the minimum inhibitory concentration, although they could be used at lower concentrations. The results of the present work indicate that, despite the excellent antibacterial effect on bovine mastitis producing strains, due to its cytotoxic nature, the silver nanoparticles could not be used as an alternative strategy for the control of this infection.