Evaluación de un recubrimiento sol-gel biodegradable cargado con antifúngicos para la prevención y el tratamiento de infecciones protésicas producidas por especies del género Candida

Resumen

El reemplazo articular es un procedimiento que mejora la vida de millones de personas al año, proporcionando alivio del dolor, restableciendo la función articular y aportando independencia. En los próximos veinte años se espera que el número de artroplastias aumente en más de un 150%, lo que traerá consigo un aumento de las complicaciones asociadas, como el aflojamiento, lesiones vasculares, inestabilidad, mala cicatrización de la herida quirúrgica, o infecciones. Las infecciones de prótesis articulares, aunque infrecuentes, suponen una condición devastadora para el paciente y un alto coste para el sistema sanitario. La mayoría están causadas por bacterias y un 1-2% están causadas por hongos, entre los que destacan algunas especies del género Candida. Actualmente, existe gran cantidad de literatura relacionada con las primeras, con guías terapéuticas disponibles para el manejo y tratamiento de los pacientes. En cambio, debido a la baja frecuencia, las distintas características clínicas de los pacientes y la gran variabilidad con que se manifiestan las infecciones protésicas causadas por hongos actualmente no hay guías terapéuticas estandarizadas para estas infecciones, y en muchos casos el tratamiento depende de la experiencia de cada centro. Estas infecciones se caracterizan por el desarrollo de una biopelícula fúngica sobre la superficie del implante, la cual protege al hongo de los tratamientos y la reacción del sistema inmune. Además, contribuye a dañar el tejido periprotésico y puede ocasionar una infección sistémica. Las biopelículas producidas por hongos son especialmente resistentes y resilientes al tratamiento, lo que ocasiona con frecuencia reinfecciones y fallos terapéuticos, por lo que suele ser necesaria una terapia prolongada con antifúngicos y sucesivas intervenciones para desinfectar la zona y efectuar un recambio del implante. Para lidiar con el desafío que presentan estas infecciones se han abordado tres estrategias complementarias en la literatura. La primera se enfoca en promover la osteointegración del material, lo que minimiza la posibilidad de desarrollar una infección. La segunda se basa en la modificación de la superficie del biomaterial para reducir la adherencia de microrganismos, el paso previo al desarrollo de una biopelícula. La tercera está enfocada al desarrollo de sistemas eficientes de liberación de antifúngicos que permitan prevenir y tratar localmente estas infecciones. El objetivo principal de esta tesis es la evaluación in vitro de un recubrimiento híbrido organo-inorgánico de tipo sol-gel, biofuncionalizado con organofosfito y cargado con fluconazol o anidulafungina para prevenir y tratar infecciones protésicas causadas por Candida albicans y Candida parapsilosis, las especies de hongo aisladas con mayor frecuencia. La consecución de este objetivo pasa por dos fases: la caracterización previa de las cepas y la evaluación del recubrimiento. En la primera fase se incluye además la caracterización de varias cepas del hongo Candida auris, debido a que en los primeros meses de esta tesis se tuvo acceso a ellas, y se comparan los resultados con los obtenidos en las otras dos especies. La importancia clínica de C. auris no ha dejado de crecer desde que se descubrió en 2009 debido a su gran capacidad de colonización y transmisión inter e intrahospitalaria y las múltiples resistencias a antifúngicos que presentan los aislados clínicos. Estas características han posicionado al patógeno como uno de los agentes etiológicos de mayor importancia en infección sistémica de origen nosocomial causada por hongos en la actualidad. En todas las cepas se caracterizó la capacidad de formación de biopelículas mediante microscopía confocal y espectroscopía de fluorescencia. Además, en las cepas de C. auris se caracterizó su patogenicidad usando un modelo in vivo de infección en Galleria mellonella, se evaluó su susceptibilidad a antifúngicos en estado planctónico y sésil y se estudió el efecto del tratamiento con antifúngicos de las biopelículas mediante microscopía confocal. En la segunda fase, se evaluó la adherencia de las cepas de C. albicans y C. parapsilosis a los recubrimientos sin adición de antifúngico, y se comparan con los recubrimientos cargados con antifúngicos. Se estudió la capacidad de prevención de la formación de biopelículas y su uso como tratamiento de biopelículas maduras de ambas especies. Finalmente, se realizó un estudio de citotoxicidad en células de mamífero. Los resultados obtenidos en todos los experimentos revelaron el distinto comportamiento de las cepas clínicas respecto a las cepas de referencia en las tres especies: produjeron biopelículas más abundantes, fueron más patogénicas y presentaron distintos patrones de susceptibilidad. Los resultados de caracterización indicaron que todas las cepas estudiadas tuvieron la capacidad de formar una biopelícula madura, variando las características de éstas en función de la especie estudiada y las condiciones de crecimiento. Por ejemplo, C. albicans produjo las biopelículas más abundantes y complejas, compuestas de levaduras y elementos filamentosos embebidos en abundante matriz extracelular, mientras que C. auris produjo las biopelículas menos abundantes, compuestas principalmente por densos grupos de levaduras. Los resultados del modelo in vivo en G. mellonella indicaron que las cepas de C. albicans fueron más patogénicas que las de C. auris, y que el fenotipo de las cepas de C. auris produjo una respuesta diferencial en el modelo. Los estudios de sensibilidad a antifúngicos revelaron que las cepas de C. auris presentaron una mayor tolerancia a los antifúngicos en comparación con las cepas de C. albicans y C. parapsilosis. Además, las biopelículas producidas por las tres especies fueron mucho más resistentes que las levaduras en estado planctónico, y las producidas por los aislados clínicos de C. auris fueron resistentes a todos los antifúngicos estudiados. Finalmente, el tratamiento con antifúngicos de las biopelículas de C. auris redujo significativamente su viabilidad y su superficie cubierta, siendo la anidulafungina el antifúngico más efectivo. La caracterización de los recubrimientos sin carga de antifúngico indicó que éstos disminuyeron la adherencia de C. albicans, pero aumentaron hasta en 65 veces la de C. parapsilosis. Los recubrimientos cargados con anidulafungina fueron más eficaces previniendo la formación de biopelículas de C. albicans, y los cargados con fluconazol lo fueron en la prevención de la formación de biopelículas de C. parapsilosis. Los experimentos de tratamiento con los recubrimientos demostraron que la presencia del recubrimiento sin antifúngicos fue suficiente para reducir las biopelículas formadas por C. albicans, y la carga con fluconazol o anidulafungina aumentó ligeramente este efecto. En las cepas de C. parapsilosis, la presencia del recubrimiento estimuló la formación de biopelículas, y la carga con fluconazol las redujo hasta en un 99%. Por último, no se observaron eventos de citotoxicidad debidos a la presencia de antifúngicos en sol-gel. Un biomaterial exitoso con aplicaciones reales en medicina abordaría estas características: ser no citotóxico y mínimamente invasivo, promover la osteointegración y prevenir y/o combatir eficazmente las infecciones microbianas. En esta tesis se ha caracterizado un novedoso recubrimiento híbrido organo-inorgánico de tipo sol-gel que puede fabricarse fácilmente y aplicarse directamente a la superficie del implante. El sol-gel se biodegrada en las primeras 24-48 horas posteriores a la intervención, el período crítico para el desarrollo de una infección. Esta biodegradación permite la liberación de compuestos de fósforo y antifúngicos en la zona, promoviendo la osteointegración y evitando la formación de biopelículas fúngicas, presentando este recubrimiento como una herramienta prometedora para reducir la incidencia de infecciones protésicas causadas por hongos.