Exploración de oxígeno

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 18243 (2022) Citar este artículo

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La seguridad microbiológica de los dispositivos médicos es de suma importancia tanto para los pacientes como para los fabricantes. Sin embargo, durante el uso, los dispositivos médicos inevitablemente se contaminarán con microorganismos, incluidos patógenos oportunistas. Este es un problema particular si estos dispositivos entran en contacto con partes del cuerpo que transportan altas cargas bacterianas, como la cavidad bucal. En el presente estudio, investigamos si se pueden aplicar altas concentraciones de oxígeno para desinfectar superficies contaminadas con diferentes bacterias Gram positivas y Gram negativas. Mostramos que algunos patógenos oportunistas, ejemplificados por Pseudomonas aeruginosa, son particularmente sensibles a concentraciones de oxígeno superiores a la concentración de oxígeno atmosférico del 21%. Nuestras observaciones también muestran que se pueden aplicar altas concentraciones de oxígeno para reducir la carga de P. aeruginosa en los nebulizadores que utilizan los pacientes con fibrosis quística, que son particularmente susceptibles a la colonización e infección por esta bacteria. Concluimos que la eficacia de la desinfección mediada por oxígeno depende de las especies bacterianas, la duración de la exposición al oxígeno y la concentración de oxígeno. Consideramos que estas observaciones son relevantes, porque las mezclas de gases con alto contenido de oxígeno pueden aplicarse fácilmente para la descontaminación microbiana. Sin embargo, el principal desafío para los métodos de desinfección basados en oxígeno reside en una eliminación potencialmente incompleta de los contaminantes microbianos, lo que hace recomendable el uso combinado con otros desinfectantes como el etanol o el peróxido de hidrógeno.

La eliminación de microorganismos potencialmente patógenos de los equipos médicos mediante desinfección o esterilización es un requisito crucial que deben abordar los fabricantes para garantizar la seguridad del paciente y el cumplimiento de los estándares de las autoridades sanitarias. Según los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC), la esterilización se define como "la eliminación o destrucción completa de todas las formas de vida microbiana, que se logra en los centros de atención médica por medios físicos o químicos". Por tanto, no debe confundirse la esterilización con la desinfección, que se define como "un proceso que elimina muchos o todos los microorganismos, con excepción de las esporas bacterianas"1,2.

Existen múltiples métodos de desinfección o esterilización que, en la práctica diaria, se aplican en función de la necesidad de eliminar contaminantes microbianos y las propiedades de los dispositivos que deben ser descontaminados2,3. El gas ozono se aplica actualmente como una alternativa viable a los desinfectantes convencionales, siendo particularmente eficaz en aquellos entornos donde el uso de desinfectantes líquidos puede resultar incompatible con ciertos biomateriales4. Otros métodos de desinfección habituales se basan en el uso de otros agentes oxidantes, como hipoclorito de sodio, povidona yodada, peróxido de hidrógeno o ácido peracético5. Las opciones alternativas se basan en el uso de alcohol, clorhexidina, compuestos de amonio cuaternario o glutaraldehído5. Para conseguir la completa eliminación de las esporas se prefiere el autoclave, el óxido de etileno, los vapores de peróxido de hidrógeno o el plasma5,6. En particular, el peróxido de hidrógeno vaporizado se utiliza ampliamente para la esterilización de dispositivos médicos, lo que representa un pilar importante para los enfoques de esterilización gaseosa no térmica7.

La 'clasificación Spaulding' ayuda a seleccionar los niveles adecuados de descontaminación microbiológica, lo que resulta especialmente útil para los dispositivos médicos reutilizables8. El riesgo de infección para el paciente que utiliza un dispositivo médico determina la selección de un procedimiento de descontaminación adecuado. Específicamente, Spaulding definió tres clasificaciones diferentes para los dispositivos médicos: críticos, semicríticos y no críticos. Los dispositivos médicos críticos incluyen entidades de equipos que entran o están en contacto con tejidos estériles, los dispositivos semicríticos incluyen equipos que entran en contacto con la piel o membranas sin penetrarlas, y finalmente los dispositivos no críticos incluyen equipos que solo tocan la piel intacta pero no membranas mucosas8. Estas tres categorías se atribuyen de acuerdo con la gravedad del riesgo de infección8,9.

Una condición clínica que hace que los pacientes sean particularmente vulnerables a la colonización microbiana y a las infecciones oportunistas es la fibrosis quística (FQ), una enfermedad hereditaria que causa la acumulación anormal de moco en los pulmones debido a mutaciones en la proteína reguladora de la conductancia transmembrana de la FQ10,11. Como consecuencia, los pacientes con FQ tienen una mayor predisposición a la colonización de las vías respiratorias y a la infección por patógenos bacterianos oportunistas. Un ejemplo de patógeno que se aprovecha de la acumulación de moco en las vías respiratorias de los pacientes con FQ es Pseudomonas aeruginosa12. Esta bacteria es un patógeno aeróbico no esporulado de particular relevancia clínica, responsable de una variedad de infecciones respiratorias, del tracto urinario y del sitio quirúrgico, y de bacteriemia13. El tratamiento de los pacientes con FQ afectados por P. aeruginosa se basa en la inhalación de antibióticos, como colistina, tobramicina, aztreonam o levofloxacina14. Dado que la administración prolongada de antibióticos puede provocar resistencia bacteriana, es importante minimizar la exposición del paciente a P. aeruginosa. En consecuencia, existe la necesidad de procedimientos sencillos para eliminar este patógeno de los dispositivos de inhalación que los pacientes con FQ utilizan a diario. Además, dispositivos como los nebulizadores se utilizan generalmente en casa, lo que exige protocolos de descontaminación fáciles de usar que no impliquen reactivos tóxicos ni equipos complicados. Investigaciones anteriores han demostrado que esto se puede lograr mediante un tratamiento con ozono durante tan solo 5 minutos15.

Un procedimiento de desinfección potencialmente atractivo para uso doméstico podría basarse en la exposición bacteriana a especies reactivas de oxígeno (ROS). Estos ROS incluyen radicales altamente reactivos, peróxidos y superóxidos derivados del oxígeno molecular (O2), que causan daños letales a las células bacterianas16,17. Sin embargo, los efectos bactericidas de las ROS sólo se manifiestan si hay un desequilibrio entre la exposición al oxígeno/ROS y las defensas antioxidantes bacterianas18,19. Por ejemplo, muchas bacterias pueden mitigar los efectos destructivos del oxígeno y las ROS mediante el uso de enzimas específicas, como catalasas, peroxidasas y superóxido dismutasas17. El grado en que el oxígeno y las ROS son perjudiciales para las bacterias suele depender de los niveles de oxígeno en su nicho ecológico. Por lo tanto, se puede hacer una distinción amplia entre aerobios y anaerobios, siendo los primeros capaces de desarrollar enzimas antioxidantes, mientras que los segundos carecen de esta capacidad. El oxígeno es generalmente tóxico para los anaerobios, como lo ejemplifican los anaerobios estrictos que pueden tolerar un máximo de 0,5% de oxígeno, mientras que los anaerobios obligados moderados pueden soportar entre 2 y 8% de oxígeno20. Por otro lado, la presencia de antioxidantes y enzimas eliminadoras de ROS confiere a los aerobios una tolerancia al oxígeno atmosférico (21%). Es importante destacar que el equilibrio homeostático oxidante/antioxidante puede romperse mediante una sobreexposición al oxígeno y a las ROS que abruma los mecanismos de defensa bacterianos y conduce a la muerte bacteriana21.

El alcance del presente estudio fue investigar si los tratamientos a base de oxígeno pueden eliminar eficazmente las bacterias de los dispositivos médicos que los pacientes con FQ usan en casa y comparar su eficacia con la de los desinfectantes comúnmente aplicados, como el etanol y el peróxido de hidrógeno. Para ello se examinaron mezclas de gases con un contenido de oxígeno superior al 21 % para determinar la posible descontaminación de los nebulizadores utilizados en el tratamiento de pacientes con FQ.

Para el presente estudio de prueba de principio, aplicamos cepas de tipo bacteriano bien caracterizadas y fácilmente disponibles para facilitar las comparaciones entre laboratorios. En particular, se utilizaron las siguientes cepas a lo largo de los experimentos: Escherichia coli ATCC 25.922, Staphylococcus aureus HG-001, Enterococcus faecalis ATCC 29.212, Enterococcus faecalis ATCC 51.299, Klebsiella pneumoniae ATCC 11.228 y P. aeruginosa ATCC 27.853. Cada cepa se almacenó en glicerol al 20% y se congeló a -80 °C. A partir de las reservas congeladas, cada cepa se sembró en placas de agar sangre (BA) y se cultivó durante la noche a 37 °C. Al día siguiente, se seleccionaron 5-6 colonias para inocular 20 ml de caldo de lisogenia (LB; Oxoid). Se utilizaron botellas de vidrio de 100 ml para cultivar las bacterias a 37 °C con agitación de 250 rpm durante 4 h. Se realizaron diluciones apropiadas para obtener un inóculo inicial final con una densidad óptica medida a 600 nm (OD600) de 0,05. Es de destacar que en los presentes estudios aplicamos mediciones de OD600 como estándar para la densidad de células bacterianas, en lugar del estándar alternativo de McFarland22,23.

Las diferentes bacterias se cultivaron como se describe anteriormente. Se seleccionó como inóculo inicial para el ensayo una suspensión de cultivo de solución salina tamponada con fosfato (PBS) 1 ×, correspondiente a 2–4 × 106 unidades formadoras de colonias (UFC)/ml. Utilizando placas de 24 pocillos, se distribuyeron por triplicado 20 µl de inóculo en el fondo de los pocillos individuales. Luego se dejó secar la placa al aire, con la tapa cerrada, durante 1,5 h en una cabina de flujo de aire laminar (LAF). Después del secado, la placa se transfirió a una incubadora de gas hecha a medida (Fig. 1). Se cerró la tapa de la incubadora en la cámara y posteriormente se lavó durante 5 minutos con la mezcla de oxígeno seleccionada a 0,8 kPa. Posteriormente, se detuvo el flujo de gas y se cerraron tanto la entrada como la salida de la incubadora. Se utilizaron tiempos de tratamiento de 1, 5, 10 o 30 min a temperatura ambiente (RT). Después del tratamiento, se abrieron las incubadoras y las placas de 24 pocillos se incubaron a temperatura ambiente durante 20 h. Luego se lavó cada pocillo con 600 µl de PBS 1x para recolectar las bacterias. Por último, las bacterias viables restantes se cuantificaron mediante diluciones seriadas, placas en BA y recuento de colonias, lo que permitió calcular las respectivas UFC/mL.

Montaje experimental de cámaras de incubación de gases. A partir de (1), la bombona de gas está conectada a una válvula de presión (2). Un tubo de plástico (3) conecta la válvula de presión a la entrada de la incubadora (4). En la incubadora también hay una válvula de presión (5). Dentro de la incubadora (6) se coloca la placa de agar experimental (7) o la placa de microtitulación de 24 pocillos (no mostrada). Una vez que la incubadora se sella con la tapa y se lava con la mezcla de gases adecuada, se permite el flujo de gas a través de una salida (8) ubicada en el polo opuesto de la entrada. Finalmente, a la salida se conecta un tubo regulable que se puede cerrar (9).

Las incubadoras de gas como se muestra en la Fig. 1 fueron fabricadas por los fabricantes de instrumentos del Centro Médico Universitario de Groningen (UMCG; 'Research Instrumenten-makerij'). Las incubadoras se diseñaron en forma rectangular, con unas dimensiones de 300 mm × 140 mm y una altura de 40 mm. Cada incubadora fue diseñada para tener una entrada y una salida para permitir el flujo de gases y una válvula de presión de seguridad. Las incubadoras estaban compuestas de dos partes separadas, la cámara y la tapa. Las cámaras se sellaron con las tapas a través de cuatro abrazaderas metálicas ubicadas en el costado de cada cámara. Las concentraciones de oxígeno elegidas para los experimentos del presente estudio fueron: 42%, 53%, 63% y 87%, complementándose el oxígeno únicamente con nitrógeno. Además, se realizaron experimentos de control con aire normal, en lo sucesivo denominado 21% de oxígeno.

El nebulizador Ventobra24, comercializado por PARI Pharma y suministrado por Westfalen AG, fue elegido como dispositivo médico representativo para el proceso experimental de desinfección mediado por oxígeno. Este dispositivo es 'semicrítico' según los criterios de Spaulding. El sistema Ventobra fue aprobado recientemente por la Agencia Europea de Medicamentos para su uso en pacientes con FQ (EMA/169,512/2015 Página 3/3). En nuestro estudio se prestó especial atención al terminal Tolero® del nebulizador Ventobra, utilizado como objetivo para diferentes protocolos de desinfección.

El teléfono Tolero fue desarmado en sus tres partes distintas, a saber, una membrana de plástico (MB), una boquilla (MP) y una pieza de metal (MT), como se muestra en la Fig. 2. La bacteria seleccionada para el experimento de contaminación fue P. .aeruginosa ATCC 27.853, cultivada como se describe anteriormente. Las superficies de las tres partes separadas del dispositivo se contaminaron deliberadamente poniéndolas en contacto durante aproximadamente 10 s con una suspensión bacteriana de 2 a 4 × 106 UFC/ml en PBS (OD600 de 0,05). Luego, las tres partes contaminadas del dispositivo se dejaron secar al aire en un gabinete LAF y posteriormente se colocaron en incubadoras de gas para su tratamiento con un flujo continuo de la concentración de oxígeno más alta probada, 87% O2, durante 30 minutos (0,8 kPa). Después del tratamiento, se siguieron dos enfoques para evaluar la cantidad de bacterias en las superficies de las piezas del dispositivo. El método de "estampado" implicó la aplicación por contacto de cada parte del nebulizador sobre una placa BA. Por el contrario, el enfoque de "hisopo" implicó la recolección de bacterias de las superficies de las piezas del dispositivo con un hisopo de algodón esterilizado y el posterior rayado de las placas BA. Luego, las placas BA se incubaron durante la noche a 37 °C y se inspeccionó el crecimiento bacteriano al día siguiente.

El auricular del nebulizador Tolero. La parte superior de la imagen muestra el teléfono completamente ensamblado, mientras que la parte inferior de la imagen muestra sus tres componentes principales una vez desmontado, a saber, la boquilla (MP), la membrana (MB) y la parte metálica (MT).

Para el control, se aplicaron tanto el método de estampado como el de hisopo en dos enfoques diferentes. En primer lugar, las tres piezas del dispositivo intencionalmente contaminadas se desinfectaron mediante inmersión en etanol al 70% o peróxido de hidrógeno al 30% durante 10 minutos, se secaron al aire en un gabinete LAF durante 10 minutos y se analizaron para detectar contaminación bacteriana. Esto nos permitió verificar que las piezas del dispositivo estaban libres de bacterias antes de su reutilización. En segundo lugar, para garantizar que no hubiera rastros de desinfectante en las superficies del dispositivo antes de la (re)contaminación bacteriana, que podría confundir los resultados de nuestros experimentos, las piezas que habían sido desinfectadas con etanol al 70% o peróxido de hidrógeno al 30% se sumergieron en agua MilliQ estéril durante 10 s.

Los resultados se presentan en media +/− desviación estándar. El análisis estadístico de los datos se realizó con GraphPad Prism 8.0.1 (GraphPad Software, EE. UU.), donde se consideró significativo un valor de p < 0,05. La prueba aplicada fue Anova bidireccional.

Se investigó la tolerancia al oxígeno de diferentes cepas de tipo bacteriano bien caracterizadas exponiéndolas en incubadoras de gas a 21% (es decir, aire normal), 43% o 53% de oxígeno. Como se presenta en las Figs. Se observaron 3, 4 y 5 susceptibilidades diferentes al oxígeno según la cepa bacteriana analizada. En particular, después de 30 minutos de incubación, el recuento de UFC indicó que S. aureus HG-001, E. faecalis ATCC 29,212, E. faecalis ATCC 51,299 y E. coli ATCC 25,922 eran generalmente menos susceptibles al oxígeno que P. aeruginosa ATCC 27,853 ( Fig. 3). Mientras que el número de bacterias viables S. aureus HG-001 y E. coli ATCC 25,922 se redujeron aproximadamente diez veces con un 53% de oxígeno, a esta concentración de oxígeno no se observó una reducción o como máximo diez veces en los recuentos viables para las dos cepas de E. faecalis ATCC. 29.212 y ATCC 51.299, respectivamente. Por el contrario, el recuento viable de P. aeruginosa ATCC 27,853 se redujo entre 500 y 100 veces en concentraciones de oxígeno superiores al 21% (Fig. 3), lo que sugiere que esta bacteria es más susceptible a la exposición al oxígeno molecular.

Susceptibilidad bacteriana al oxígeno. La susceptibilidad bacteriana al oxígeno se expresa en UFC/mL. El tiempo de incubación se fijó en 30 minutos a tres concentraciones de oxígeno diferentes, a saber, 21%, 42% y 53%. Un ANOVA de dos vías reveló diferencias estadísticamente significativas en la viabilidad de la cepa bacteriana a concentraciones de oxígeno crecientes (valor de p <0,0001). Es de destacar que atribuimos la sensibilidad al oxígeno aparentemente ligeramente mayor de P. aeruginosa al 42% de O2 que al 53% de O2 a una variación en la configuración de esta serie particular de experimentos, a pesar de que las diferencias en los recuentos de UFC/mL mostraron significación estadística. .

Dependencia del tiempo en la muerte mediada por oxígeno de (A) S. aureus HG-001 y (B) P. aeruginosa ATCC 27,853. S. aureus HG-001 y P. aeruginosa ATCC 27.853 se trataron con 63% de O2 durante 1, 5, 10 o 30 min y se sembraron en agar BA.

Supervivencia de P. aeruginosa ATCC 27,853 y S. aureus HG-001 tras la exposición al 63 % de oxígeno molecular; los controles se incubaron al 21 % de oxígeno. La susceptibilidad bacteriana al oxígeno se expresa en UFC/mL. Los tiempos de incubación se fijaron en 1, 5, 10 y 30 min. Un ANOVA de dos vías reveló diferencias estadísticamente significativas en la viabilidad de la cepa bacteriana en diferentes momentos (valor de p <0,0001).

Para determinar si una condición de oxígeno atmosférico triple permitiría una eliminación más efectiva de S. aureus HG-001 y P. aeruginosa ATCC 27,853, y para aproximar el tiempo de incubación óptimo, se realizó una siguiente serie de experimentos. Como se muestra en las Figs. 4 y 5, con 63% de oxígeno, el recuento viable de P. aeruginosa ATCC 27,853 disminuyó rápidamente con el tiempo y prácticamente todas las bacterias en el inóculo se eliminaron después de 10 minutos de incubación. Por el contrario, S. aureus HG-001 demostró una tolerancia mucho mayor a una exposición al oxígeno del 63 %, y el recuento viable se redujo aproximadamente diez veces tras 30 minutos de incubación.

Para evaluar la posibilidad de desinfectar los terminales nebulizadores con oxígeno, se desmontó el terminal Tolero de un nebulizador Ventobra en sus tres partes principales: la membrana (MB), la parte metálica (MT) y la boquilla (MP). Luego, estas tres partes se contaminaron individualmente con P. aeruginosa ATCC 27,853. Para investigar la posible desinfección mediada por oxígeno, las tres partes contaminadas se expusieron durante 30 minutos a un 87% de oxígeno. Esta condición se eligió para garantizar la máxima exposición al oxígeno. Para el control, las piezas contaminadas se desinfectaron con etanol al 70% o peróxido de hidrógeno al 30%. Tras la exposición al oxígeno o la desinfección con etanol o peróxido de hidrógeno, las diferentes partes se "estamparon" en placas BA que posteriormente se incubaron durante la noche a 37 °C. La Figura 6 muestra que la desinfección con etanol o peróxido de hidrógeno condujo a la eliminación completa de las bacterias.

Desinfección mediante etanol o peróxido de hidrógeno de piezas de nebulizador contaminadas con P. aeruginosa ATCC 27,853. Las piezas contaminadas del nebulizador se estamparon en placas BA antes o después de la desinfección con etanol al 70% o peróxido de hidrógeno (H2O2) al 30%. Posteriormente las placas se incubaron durante la noche a 37 °C. Las flechas amarillas marcan manchas de espuma generadas por peróxido de hidrógeno. MB, membrana; MT, pieza metálica; MP, boquilla.

La Figura 7 muestra los efectos de la desinfección mediada por oxígeno al 87 % de las piezas del nebulizador contaminadas con P. aeruginosa. Tras 30 minutos de exposición al oxígeno, se observó una clara reducción en la carga bacteriana en las tres partes, pero fue particularmente evidente en la boquilla contaminada. Esto se visualizó tanto mediante el método de estampado como de hisopo.

Desinfección mediada por oxígeno de piezas de nebulizador contaminadas con P. aeruginosa ATCC 27,853. Las piezas del nebulizador contaminadas con bacterias se presionaron sobre placas BA antes o después de un tratamiento de 30 minutos con oxígeno al 87%. Alternativamente, las partes del nebulizador deliberadamente contaminadas con bacterias se limpiaron con un hisopo de algodón antes o después de un tratamiento de 30 minutos con oxígeno al 87 % y posteriormente se colocaron placas de bacterias resuspendidas de los hisopos. Todas las placas se incubaron durante la noche a 37 °C. MB, membrana; MT, pieza metálica; MP, boquilla.

En el presente estudio, hemos probado la eficacia de un enfoque de desinfección a base de oxígeno contra un grupo de patógenos oportunistas, incluidas especies de bacterias Gram negativas y Gram positivas. Las bacterias fueron expuestas a diferentes concentraciones de oxígeno muy por encima de la concentración atmosférica del 21%. Nuestros resultados muestran que la susceptibilidad al oxígeno depende de diferentes factores, como la especie bacteriana, la duración del tratamiento y el porcentaje de oxígeno. Curiosamente, entre las bacterias analizadas, P. aeruginosa se destacó por mostrar la mayor susceptibilidad al oxígeno. Además, mostramos que se puede aprovechar la sensibilidad al oxígeno de P. aeruginosa para reducir su carga en los dispositivos médicos, como se ejemplifica con el nebulizador portátil Tolero. Este teléfono lo utilizan pacientes con trastornos pulmonares como la FQ y, en consecuencia, frecuentemente se contamina con P. aeruginosa. Si bien nuestro presente estudio muestra que los desinfectantes tradicionales, como el etanol o el peróxido de hidrógeno, son más efectivos para eliminar altas cargas de P. aeruginosa contaminante, hay que darse cuenta de que es poco probable que las altas cargas bacterianas aplicadas a las partes del dispositivo en el presente estudio alcanzarse mediante el uso diario. Es importante destacar que nuestras observaciones muestran que la descontaminación mediada por oxígeno más efectiva se logra para la boquilla que, durante el uso, es la parte que quedará más expuesta a los microorganismos en la cavidad bucal del paciente.

Si bien el oxígeno es un potente aceptor de electrones que alimenta el metabolismo de muchos organismos en los tres reinos de la vida, también es un potente agente tóxico. La atmósfera de nuestro planeta contiene niveles de oxígeno de hasta un 21% y tanto los microorganismos aeróbicos como los organismos superiores, incluidos los humanos, han aprendido a lidiar con esta condición ambiental potencialmente peligrosa. En general, los procariotas son más resistentes a concentraciones de oxígeno superiores al 40% que los eucariotas25,26. Por lo tanto, en realidad se pueden aplicar niveles elevados de oxígeno para estimular el crecimiento microbiano en biorreactores, aunque la exposición prolongada puede provocar daño oxidativo tanto de los microorganismos productores como de sus productos27,28. Sin embargo, sorprendentemente se sabe relativamente poco sobre los límites absolutos de la tolerancia al oxígeno de las diferentes especies bacterianas. En particular, se ha investigado con mucho detalle la tolerancia al oxígeno en bacterias anaeróbicas hasta el límite fijado por la concentración atmosférica de oxígeno del 21%, ya que concentraciones más altas de oxígeno se consideran no fisiológicas29,30. Por la misma razón, se ha atribuido muy poca atención a los límites de la tolerancia al oxígeno de las bacterias aeróbicas, incluso aquellas que favorecen nichos con tensiones de oxígeno fluctuantes como el tracto respiratorio humano. Esto planteó la cuestión de hasta qué punto estas bacterias aeróbicas, incluidos los patógenos oportunistas como P. aeruginosa, pueden soportar concentraciones de oxígeno superiores al 21%. En consecuencia, el presente estudio tuvo como objetivo explorar los efectos potencialmente bactericidas de las mezclas de gases, con contenidos de oxígeno superiores al 21% atmosférico, y evaluar si dichas concentraciones elevadas de oxígeno se pueden aplicar para desinfectar dispositivos médicos. Nuestros resultados muestran que P. aeruginosa es particularmente susceptible a niveles elevados de oxígeno. Consideramos que esta observación es relevante, porque P. aeruginosa es un notorio colonizador de los pulmones de pacientes con funciones pulmonares deterioradas, incluidos los pacientes con FQ, lo que impone la necesidad de minimizar las cargas bacterianas en los dispositivos médicos utilizados por estos pacientes.

La desinfección y esterilización adecuadas de los productos sanitarios son cuestiones de especial importancia para la protección de pacientes con mayor susceptibilidad a la colonización e infección bacteriana. En consecuencia, los proveedores de atención médica y los desarrolladores de dispositivos médicos tienen una clara necesidad de protocolos efectivos para eliminar o al menos minimizar la exposición de pacientes frágiles a patógenos potenciales. Además, las contaminaciones microbianas pueden interferir con la funcionalidad de los dispositivos médicos. Por lo tanto, la contaminación bacteriana es un problema constante que pone en peligro la seguridad de los dispositivos, particularmente si tienen superficies con una actividad de agua relativamente alta que promueve el crecimiento microbiano y entran en contacto directo con los pacientes31,32. Otra consideración importante relacionada con la descontaminación microbiana es la reutilización de dispositivos costosos que, de otro modo, se desecharían después de su uso. Los nebulizadores pertenecen a esta categoría de dispositivos caros y con un alto riesgo de colonización, lo que requiere procedimientos de desinfección eficaces que se puedan aplicar en casa. Nuestros hallazgos actuales muestran que esto podría, en principio, lograrse exponiendo estos dispositivos a altas concentraciones de oxígeno en una incubadora dedicada. Un claro valor añadido de la desinfección mediada por oxígeno sería que el oxígeno molecular, a diferencia de otros productos químicos, no comprometerá la reutilización de los nebulizadores y otros dispositivos médicos.

Un posible valor añadido derivado de un tratamiento a base de oxígeno contra P. aeruginosa estaría relacionado con la predilección de esta bacteria por la mucosidad que se acumula en los pulmones de los pacientes con FQ. Este moco tiene poco oxígeno, lo que obligaría a las bacterias a depender más de la respiración anaeróbica33. Curiosamente, Gupta et al. demostraron que P. aeruginosa en condiciones anóxicas muestra una sensibilidad reducida a los antibióticos, en particular a los aminoglucósidos34. Esta observación es importante, porque los pacientes con FQ necesitan someterse a una administración frecuente de antibióticos que, con el tiempo, podrían volverse menos efectivos debido a la resistencia bacteriana a los antimicrobianos adquirida. Potencialmente, la desinfección de nebulizadores con altas concentraciones de oxígeno podría ayudar a minimizar la exposición de los pacientes con FQ a P. aeruginosa resistente a los antimicrobianos.

En conclusión, anticipamos que los efectos tóxicos del oxígeno molecular pueden convertirse en un poderoso aliado en la lucha contra las bacterias patógenas. Con la ventaja de ser seguro para el uso humano, el oxígeno representa una herramienta para frenar el crecimiento de patógenos oportunistas particulares que contaminan y colonizan superficies bióticas y abióticas. En consecuencia, podría aplicarse también, por ejemplo, en la desinfección de incubadoras neonatales después de su uso, porque dichas incubadoras son dispositivos costosos que pueden contaminarse con patógenos que representan una amenaza particular para la salud de los recién nacidos prematuros32. Este principio puede incluso extenderse a aplicaciones no médicas, incluida la industria alimentaria, donde los niveles elevados de oxígeno combinados con una baja actividad del agua pueden ayudar a prevenir el deterioro. Sin embargo, la principal limitación de los enfoques de desinfección basados en oxígeno reside en una eliminación potencialmente incompleta de los contaminantes microbianos, como se documenta en nuestro presente estudio. Otros factores identificados que determinan la eficacia de la desinfección a base de oxígeno son las especies bacterianas contaminantes, la duración de la exposición al oxígeno y la concentración de oxígeno aplicada. Hasta que se encuentre una solución adecuada para estos factores potencialmente limitantes, recomendamos enfoques que combinen el uso de alto contenido de oxígeno con otros desinfectantes como etanol o peróxido de hidrógeno.

Todos los datos generados y analizados durante el estudio actual están disponibles.

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Los autores agradecen a Westfalen AG por proporcionar las mezclas de gases y a Anna Borgmann, Hans ten Heggeler y Edo Ebskamp por su apoyo logístico y técnico y sus útiles debates.

FMC, AWF y JMvD recibieron financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en el marco del acuerdo de subvención Marie Skłodowska-Curie nº 713482 (programa ALERT). Este estudio fue apoyado por el proyecto Health-i-care (http://www.health-i-care.eu), financiado por INTERREG VA (122084), parte de una red transfronteriza holandesa-alemana respaldada por la Comisión Europea. el Ministerio de Economía holandés, el Ministerio de Economía, Innovación, Digitalización y Energía del Estado federal alemán de Renania del Norte-Westfalia, el Ministerio de Asuntos Nacionales y Europeos y Desarrollo Regional de Baja Sajonia y las provincias holandesas Drenthe, Flevoland, Fryslân, Gelderland , Groninga, Brabante Septentrional y Overijssel.

Departamento de Microbiología Médica y Prevención de Infecciones, Universidad de Groningen, Centro Médico Universitario de Groningen, HPC EB80, Hanzeplein 1, 9713, GZ, Groningen, Países Bajos

Francis M. Cavallo, Richard Kommers, Alexander W. Friedrich, Corinna Glasner y Jan Maarten van Dijl

Departamento de Microbiología Médica, Universidad de Groningen, University Medical Center Groningen, Hanzeplein 1, PO Box 30001, 9700, RB, Groningen, Países Bajos

Jan Maarten van Dijl

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FMC, AWF, CG y JMvD concibieron el presente estudio; FMC y RK realizaron los experimentos; FMC, RK y JMvD analizaron los datos; FMC redactó el manuscrito; y FMC, CG y JMvD editaron el manuscrito. Todos los autores han leido y aprobado el manuscrito.

Correspondencia a Jan Maarten van Dijl.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Cavallo, F., Kommers, R., Friedrich, A. et al. La exploración de la desinfección de dispositivos médicos mediada por oxígeno revela una alta sensibilidad de Pseudomonas aeruginosa a niveles elevados de oxígeno. Representante científico 12, 18243 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23082-3

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Recibido: 23 de enero de 2022

Aceptado: 25 de octubre de 2022

Publicado: 29 de octubre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-23082-3

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