Potenzialità dell'Ossido di Grafene nella prevenzione di infezioni sanitarie

Secondo la definizione della World Health Organization (WHO), le infezioni associate all’assistenza sanitaria (HAI) rappresentano una grave minaccia per la salute pubblica in ambito ospedaliero. Le HAI, anche chiamate “nosocomiali” e “ospedaliere”, colpiscono i pazienti in un ospedale o altra struttura sanitaria, e non sono presenti, o in incubazione, al momento del ricovero. Queste comprendono le infezioni acquisite dai pazienti in ospedale ma che appaiono dopo la dimissione, e le infezioni “di professione” tra il personale. Tali infezioni sono considerate la sesta causa di morte al mondo, con un’incidenza dal 4% al 10% (fonte ECDC: European Center for Disease prevention and Control).

Elenco delle 4 tipologie di HAI — Figura 1 – Poster dell’APIC (Association for Professionals in Infection Control and Epidemiology) che riassume le 4 categorie di HAI: 1)Infezioni del tratto urinario associate a catetere, 2) Bloodstream infections o infezioni sistemiche, 3) Infezioni del sito chirurgico, 4) Pneumonia

I dispositivi medici, come cateteri, pacemaker cardiaci, protesi articolari, protesi valvolari cardiache e protesi dentarie, rappresentano una delle principali fonti di infezione nosocomiale. Tali dispositivi spesso possono diventare un focolaio infettivo locale o sistemico che può portare a gravi, anche fatali, conseguenze. Spesso questo tipo di infezione si esplica con la formazione di biofilm sui dispositivi medici.

Caratteristiche generali dei biofilm

In natura i batteri unicellulari, piuttosto che vivere come cellule planctoniche isolate, preferiscono accumularsi per formare un consorzio multicellulare attaccato alla superficie chiamato biofilm. Tale superficie può essere biotica o abiotica e le cellule partecipanti producono sostanze polimeriche extracellulari che formano la matrice extracellulare del biofilm (EPS). I componenti principali dell’EPS sono proteine, polisaccaridi e DNA extracellulare. La formazione del biofilm procede in 4 fasi distinte:

Adesione o attacco: dapprima iniziale, e poi irreversibile, utilizzando strutture a forma di coda specializzate;
Espansione: crescita e divisione batterica, formazione di un denso tappeto pluristratificato. Tale crescita è finemente regolata attraverso il “quorum sensing” (utilizzo di segnali biochimici e metabolici specifici per la comunicazione riguardante la proliferazione e non solo);
Maturazione: un quorum (numero minimo di membri) batterico procede alla secrezione di sostanze polisaccaridiche che fungono da collante;
Dispersione: parte del biofilm rilascia batteri liberi planctonici per un’ulteriore colonizzazione. La formazione di biofilm può portare alla diffusione ematica e allo sviluppo di infezioni sia locali che sistemiche.

Gli step di produzione del biofilm batterico — *Figura 2 – Le 4 fasi cicliche di formazione del biofilm batterico*

Nell’ultimo stadio le cellule si staccano dalla matrice e si diffondono. Il biofilm consente ai microrganismi di sopravvivere a lungo sulle superfici in uno stato di “fame” e con un basso fabbisogno di nutrienti. Inoltre, le cellule nel biofilm sono più resistenti alla risposta immunitaria dell’ospite e alle terapie antimicrobiche, rendendo difficile il trattamento di queste infezioni. Difatti gli antibiotici solitamente agiscono contro le cellule planctoniche che si stanno riproducendo attivamente.

Infezioni associate a formazione di biofilm su dispositivi medici

I microrganismi predominanti nei biofilm formatisi su dispositivi medici sono i seguenti microrganismi opportunisti e patogeni:

I gram positivi Staphylococcus aureus, S. epidermis, ed Enterococcus spp.
I gram negativi Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa e Clostridium difficile
Lieviti in particolare appartenenti alla Candida spp.

I biofilm a singola specie non sono rari, ma i biofilm polimicrobici sono nettamente più ricorrenti. Le interazioni specifiche tra microrganismi diversi in un biofilm consentono diverse alterazioni della morfologia e/o fisiologia delle cellule. La ricerca si concentra sullo sviluppo di un nuovo materiale di rivestimento in grado di prevenire l’adesione e la successiva formazione di biofilm di batteri e lieviti sui dispositivi medici.

Ossido di Grafene

I derivati del grafene sono esempi di nanomateriali antimicrobici dalle elevate potenzialità. Il grafene è un nanomateriale ultrasottile bidimensionale composto solo da atomi di Carbonio ibridati sp², disposti in una struttura esagonale. È il primo materiale cristallino bidimensionale mai prodotto. Questo materiale presenta diverse proprietà fisiche: estensibilità, conducibilità elettrica, ampia superficie ed elevata conduttività termica. Dalla sintesi sono stati studiati diversi derivati, come l’Ossido di Grafene (GO) e il GO ridotto (rGO). In particolare, il GO è un precursore della sintesi su larga scala del grafene ed è preparato dall’ossidazione della grafite. L’Ossido di Grafite diviene poi GO attraverso un processo di esfoliazione ad ultrasuoni. Il prodotto è un singolo strato monomolecolare di grafene fortemente ossigenato.

Caratteristiche chimiche dei nanomateriali a base di carbonio derivati dalla Grafite, tra cui GO — Figura 3 – Strutture molecolari di: A) Grafene B) Ossido di Grafene C) Ossido di Grafene Ridotto.
D) Reazioni chimiche di sintesi dei Grafite, Ossido di Grafene e Ossido di Grafene Ridotto

Attività antimicrobica dell’Ossido di Grafene

L’attività antimicrobica del GO è stata ampiamente segnalata, anche se la maggior parte degli studi si concentra sull’attività del GO in soluzione mentre solo pochi hanno riportato l’attività del GO come materiale di rivestimento in fase solida.

Le principali attività antimicrobiche riportate dell’Ossido di Grafene sono:

Gli spigoli appuntiti dei “fogli” di GO possono interferire fisicamente con il microrganismo tagliando la membrana con conseguente perdita intracellulare del costituente citoplasmatico e morte del microrganismo. Questo meccanismo è chiamato effetto nano-coltello o nano-lama;
L’Ossido di Grafene può indurre stress ossidativo alle cellule batteriche. Questo fenomeno è causato da una riduzione chimica dei fogli di grafene da parte dei batteri stessi.
Il GO può avvolgere e isolare i microrganismi dall’ambiente in modo che non riescano a trovare nutrimento, bloccandone la proliferazione. Questo meccanismo è stato osservato principalmente in fase di soluzione piuttosto che nelle superfici rivestite con GO.

Modalità di azione antibatterica del GO — *Figura 4 – Le 3 principali attività antimicrobiche dei nanomateriali a base di Carbonio, tra cui rientra l’Ossido di Grafene*

Potenzialità e limiti del GO nel rivestimento di dispositivi medici

L’Ossido di Grafene può essere utilizzato per rivestire superfici, per ottenere attività anti-adesione e anti-biofilm sia da solo che in combinazione con altre sostanze. Sono stati utilizzati diversi metodi per preparare il rivestimento a base di GO, come: lo spin coating, Electrospinning, la filtrazione sotto vuoto, la placcatura chimica, l’inversione di fase, la deposizione elettroforetica, l’autoassemblaggio (o cross-linking) di hydrogel, riduzione chimica a umido, evaporazione del solvente e la solution casting. Molto importante è la standardizzazione della modalità di produzione di questo nanomateriale, poiché essa ne influenza le proprietà antimicrobiche.

Nell’ottica di promuovere l’uso clinico del GO, è fondamentale valutare i profili di citotossicità a breve e lungo termine del GO nei confronti delle cellule eucariotiche. Nonostante i vantaggi che l’Ossido di Grafene possiede per le applicazioni antibatteriche, come l’elevata area superficiale e l’eccezionale solubilità in ambienti acquosi, la sua biocompatibilità è al momento controversa.

La tossicità dell’Ossido di Grafene e dei nanomateriali della famiglia del grafene è ampiamente in revisione nella letteratura attuale, ma la ricerca è ancora agli inizi ed è difficile concludere i potenziali rischi per la salute umana associati all’uso di tali nanomateriali innovativi.

Conclusione

Prevenire la colonizzazione batterica dei dispositivi biomedici è la chiave per limitare la diffusione delle infezioni nosocomiali. I rivestimenti antibatterici sono diventati un campo di ricerca molto attivo, fortemente stimolato dall’urgente e crescente necessità di individuare strategie innovative anziché utilizzare gli antibiotici tradizionali. L’Ossido di Grafene è solo uno dei molti nanomateriali e nanoparticelle con elevate potenzialità antimicrobiche da tenere in considerazione per future applicazioni di rivestimento di dispositivi medici.