Nanopartículas metálicas en bacterias probióticas. Implicaciones biotecnológicas

Resumen

Algunas bacterias probióticas pueden incorporar nanopartículas en su capa externa de exopolisacáridos (EPS), adquiriendo las propiedades físico-químicas de dichas nanopartículas, sin perder sus capacidades biológicas más esenciales: superar la barrera química que supone el estómago y anidar en diferentes partes del intestino. En esta tesis doctoral hemos explotado el uso de estos probióticos como carriers de nanopartículas metálicas de diversa composición química y morfología para alcanzar el intestino y poder ser aplicados en biomedicina. El capítulo 1, se centra en los aspectos básicos del área de investigación en el que se enmarca esta Tesis Doctoral y la motivación del mismo en el contexto actual. Concretamente, se hace una revisión bibliográfica del uso de nanopartículas metálicas en Nanomedicina citando diferentes aplicaciones biotecnológicas y biomédicas. Asimismo se propone el uso de microorganismos carriers de dichas nanopartículas, y más concretamente del uso de EPC como plataformas para la preparación de nuevos nanomateriales con propiedades físico-químicas mejoradas. El capítulo 2 recoge el desarrollo de un nuevo suplemento de hierro (MNP-bacteria) para el tratamiento de anemia, basado en Lactobacillus fermentum, una bacteria que forma parte de nuestro microbioma, con nanopartículas de maghemita (MNP). Hemos demostrado que este probiótico es un carrier ideal para transportar y acumular MNP en el intestino, superando el medio químico estomacal. A diferencia del sistema MNP-bacteria, la administración de MNP no permite llegar al intestino puesto que las nanopartículas son mayoritariamente degradadas. El ensayo en ratas anémicas ha demostrado que MNP-bacteria es un excelente suplemento de hierro, capaz de restablecer los parámetros de hierro en ratas anémicas a niveles fisiológicas sanos (capítulo 3). En concreto, dicho suplemento restablece los niveles de hierro y hemoglobina en sangre, los niveles de las proteínas DMT1 y ferroportina en enterocitos de intestino y los niveles de hepcidina, la hormona que controla la excreción de hierro del enterocito. En el capítulo 4 hemos demostrado que es posible incorporar simultáneamente MNP y nanopartículas de oro AuNP (de diferentes morfologías) al Lactobacillus fermentun, obteniéndose así bacterias con propiedades magnéticas y ópticas simultáneamente. Los estudios de hipertermia magnética y óptica han demostrado que algunos de estos sistemas heterobimetálicos MNP-AuNP generan tasas de absorción específica de más de 130 W/g tras exposición a campos magnéticos alternos (hipertermia magnética), y temperaturas de calentamiento del orden de 50 – 70 ᵒC tras irradiación con láser a 1064 nm, longitud de onda cercana a la de la banda SPR de las AuNP (hipertermia óptica). Además, hemos visto que el probiótico Lactobacillus fermentun sirve como carrier para la internalización en el enterocito de las nanopartículas que porta. Por tanto, estos sistemas se presentan como una alternativa real para el tratamiento de cáncer de colon mediante hipertermia mixta magneto-óptica. No existen en bibliografía fármacos orales con estas características. En el capítulo 5 hemos extendido el protocolo de incorporación de nanopartículas a bacterias de tanto impacto en alimentación, como son los probióticos responsables de la fermentación de la leche para producir yogur. Además hemos demostrado que la incorporación de MNP y AuNP a los probióticos Streptococcus thermophilus y Lactobacillus acidophilus, no impide que puedan fermentar leche y producir yogur. De esta forma hemos desarrollado dos nuevos productos: yogur magnético y yogur dorado, que pudieran ser utilizados, al igual que MNP-bacteria, como suplementos de hierro para anemia, como fármacos anticancerígenos por hipertermia, o bien como nuevos ingredientes alimentarios en la novel food. Nanoparticles can be grafted to the outer exopolysaccharide (EPS) layer of some probiotic bacteria, so that these bacteria acquire new properties without losing their essential biological ability: to overcome the stomach barrier and nest in the intestine. In this PhD, we have exploited the use of these probiotics as carriers of metallic nanoparticles, of different chemical composition and morphology, to be applied in biomedicine. Chapter 1 is focused on the basic aspects of this research area and on its motivation in the current context. Specifically, there is a bibliographic review on the uses of metallic nanoparticles in Nanomedicine and about the use of microorganisms as drugs and nanoparticles carriers, as well as on the role of EPS as a material with potential uses in biotechnology. Chapter 2 is devoted to the development of a new iron supplement (MNP-bacteria) for the treatment of anemia. This is based on Lactobacillus fermentum, a member of our microbiome, loaded with nanoparticles of maghemite (MNP). We have shown that this probiotic is an ideal carrier to transport and accumulate MNP in intestine, overcoming the stomach chemical medium. Unlike the administration of free MNP, which entail the degradation of the nanoparticles at the stomach, the supplementation with MNP-bacteria does allow MNP reaching the intestine. The test with anemic rats has shown that MNP-bacteria are excellent iron supplements, able to reestablish their iron parameters to healthy physiological levels (chapter 3). In concrete, this supplement reestablishes the levels of iron and hemoglobin in blood, the levels of the DMT1 and ferroportin proteins in enterocytes and the level of hepcidin, the hormone that controls the excretion of iron from the enterocyte. In Chapter 4 we demonstrate that it is possible to simultaneously incorporate MNP and gold nanoparticles (AuNP) of different morphologies to Lactobacillus fermentum, thus obtaining bacteria with both magnetic and optical properties. The studies of magnetic and optical hyperthermia have shown that some of these heterobimetallic systems, MNP-AuNP-bacteria, generate specific absorption rate of more than 130 W/g after exposition to alternate magnetic fields (magnetic hyperthermia), and temperatures of heating of the order 50-70 ᵒC after irradiation with laser at 1064 nm, a wavelength near the SPR band of the AuNP (optical hyperthermia). Furthermore, we have seen that the probiotic Lactobacillus fermentum serves as a carrier for the internalization of the nanoparticles into enterocytes. Therefore, this system is a real alternative for the treatment of colon cancer through mixed magnetic-optical hyperthermia. There is no similar oral drug currently available in bibliography. In Chapter 5, we have extended our protocol to incorporate nanoparticles to bacteria of high impact in food, such as the probiotics responsible of producing yogurt by milk fermentation. Besides, we have demonstrated that the incorporation of MNP and AuNP to the Streptococcus thermophilus and Lactobacillus acidophilus probiotics does not prevent the fermentation and the production of yogurt. In this way, we have been able to develop two new products: magnetic yoghurt and golden yoghurt, that could be used as iron supplements (as MNP-bacteria) and as anticancer drugs (through hyperthermia techniques), or eventually used as a new ingredient in novel food.