Como prevenir biofilmes no espaço

No experimento, os pesquisadores investigaram uma variedade de superfícies tratadas de diferentes maneiras e expostas a uma bactéria chamada Pseudomonas aeruginosa, que é um patógeno oportunista que pode causar infecções em humanos, principalmente em hospitais. As superfícies foram incubadas durante três dias a bordo da estação espacial, a partir de 2019. Os resultados mostram que as superfícies texturizadas impregnadas com um lubrificante tiveram grande sucesso na prevenção do crescimento de biofilme durante a sua longa exposição no espaço. As descobertas são descritas em um artigo na revista Microgravidade da Naturezapor Samantha McBride PhD ’20 e Kripa Varanasi do MIT, Pamela Flores e Luis Zea da Universidade do Colorado, e Jonathan Galakza do NASA Ames Research Center.

Os entupimentos nas mangueiras do sistema de recuperação de água a bordo da ISS têm sido por vezes tão graves que as mangueiras tiveram de ser enviadas de volta à Terra para limpeza e renovação. E embora não se saiba se os biofilmes contribuíram diretamente para as doenças dos astronautas, na Terra, os biofilmes estão associados a 65% das infecções microbianas e a 80% das infecções crónicas, dizem os investigadores.

Uma abordagem para prevenir biofilmes é usar superfícies revestidas com certos metais ou óxidos que matam micróbios, mas esta abordagem pode falhar quando uma camada de micróbios mortos se acumula na superfície e permite a formação de biofilme acima dela. Mas este não foi o caso da superfície infundida com líquido que teve um bom desempenho nas experiências da ISS: em vez de matar os micróbios, impediu-os de aderir à superfície.

A superfície específica utilizada foi feita de silício que foi gravado para produzir uma floresta de pilares em nanoescala. Esta superfície pontiaguda é então infundida com um óleo de silicone, que é absorvido pela textura e mantido no lugar por ação capilar, deixando uma superfície lisa e altamente escorregadia que reduz significativamente a adesão de micróbios e evita que formem um biofilme.

Experimentos idênticos foram conduzidos na Terra e também na estação espacial para determinar as diferenças produzidas pelo ambiente de microgravidade em órbita. Para surpresa dos investigadores, a superfície infundida com líquido teve um desempenho ainda melhor no espaço do que na Terra na prevenção da adesão microbiana.

Nas estações espaciais anteriores e atuais, incluindo a estação Mir da URSS, Salyut 6 e Salyut 7, bem como a Estação Espacial Internacional, “eles viram esses biofilmes e colocam em risco uma variedade de instrumentos ou equipamentos, incluindo trajes espaciais, unidades de reciclagem, radiadores e instalações de tratamento de água, por isso é um problema muito importante que precisa ser compreendido”, diz Varanasi, professor de engenharia mecânica e fundador de uma empresa chamada LiquiGlide, que fabrica superfícies impregnadas com líquido para recipientes para ajudar seu o conteúdo desliza para fora.

Testes anteriores na Terra mostraram que estas superfícies tratadas poderiam reduzir significativamente a adesão do biofilme. Quando as amostras da estação espacial foram recuperadas e testadas, “descobrimos que estas superfícies também são extremamente boas na prevenção da formação de biofilme na estação espacial”, diz Varanasi. Isto é importante porque trabalhos anteriores descobriram que a microgravidade pode ter uma influência significativa nas morfologias do biofilme, no comportamento de fixação e na expressão genética, de acordo com McBride. Assim, estratégias que funcionam bem na Terra para a mitigação do biofilme podem não ser necessariamente aplicáveis ​​a situações de microgravidade.

A prevenção de biofilmes será especialmente importante para futuras missões de longa duração, como a Lua ou Marte, onde a opção de devolver rapidamente equipamentos sujos ou astronautas doentes à Terra não estará disponível, diz a equipe. Se testes adicionais confirmarem a sua estabilidade a longo prazo e a prevenção bem-sucedida do biofilme, os revestimentos baseados no conceito de superfície tratada com líquido poderão ser aplicados a uma variedade de componentes críticos que são conhecidos por serem suscetíveis à incrustação do biofilme, tais como mangueiras e filtros de tratamento de água, ou em peças que entram em contato próximo com os astronautas, como luvas ou superfícies de preparação de alimentos.

Nas amostras terrestres, a formação de biofilme foi reduzida em cerca de 74 por cento, enquanto as amostras da estação espacial mostraram uma redução de cerca de 86 por cento, diz Flores, que realizou grande parte dos testes das amostras expostas à ISS. “Os resultados que obtivemos foram surpreendentes”, diz ela, porque testes anteriores realizados por outros mostraram que a formação de biofilme era na verdade maior no espaço do que na Terra. “Na verdade, descobrimos o oposto nessas amostras”, diz ela.

Embora os testes tenham utilizado um tipo de bactéria gram-negativa específico e bem estudado, diz ela, os resultados devem aplicar-se a qualquer tipo de bactéria gram-negativa e, provavelmente, também a bactérias gram-positivas. Eles descobriram que as áreas da superfície onde não ocorreu crescimento bacteriano estavam cobertas por uma fina camada de ácidos nucleicos, que têm uma ligeira carga elétrica negativa que pode ter ajudado a impedir a adesão de micróbios. Tanto as bactérias gram-positivas como as gram-negativas têm uma ligeira carga negativa, o que poderia repeli-las daquela superfície carregada negativamente, diz Flores.

Outros tipos de superfícies antiincrustantes, diz Varanasi, “funcionam principalmente com uma propriedade biocida, que geralmente só funciona para uma primeira camada de células porque, depois que essas células morrem, elas podem formar um depósito e micróbios podem crescer em cima delas. , geralmente tem sido um problema muito difícil.” Mas com a superfície impregnada de líquido, onde o que fica exposto é principalmente o próprio líquido, há muito poucos defeitos ou pontos onde as bactérias possam se estabelecer, diz ele.

Embora o material de teste tenha permanecido na estação espacial por mais de um ano, os testes reais só foram realizados durante um período de três dias porque exigiam a participação ativa dos astronautas, cujas agendas são sempre muito ocupadas. Mas uma recomendação que a equipa fez, com base nestes resultados iniciais, é que testes de maior duração sejam realizados numa missão futura. Nestes primeiros testes, diz Flores, os resultados após o terceiro dia foram iguais aos do primeiro e do segundo dias. “Não sabemos por quanto tempo será capaz de manter esse desempenho, por isso recomendamos definitivamente um tempo de incubação mais longo e também, se possível, uma análise contínua, e não apenas de pontos finais”.

Zea, que iniciou o projeto com a NASA, diz que esta foi a primeira vez que a agência realizou testes que envolveram a participação conjunta de dois de seus programas científicos, biologia e ciências físicas. “Penso que sublinha a importância da multidisciplinaridade porque precisamos de ser capazes de combinar estas diferentes disciplinas para encontrar soluções para problemas do mundo real.”

Os biofilmes também são um problema médico significativo na Terra, especialmente em dispositivos médicos ou implantes, incluindo cateteres, onde podem levar a problemas de doenças significativos. O mesmo tipo de superfícies impregnadas com líquido pode ter um papel a desempenhar para ajudar a resolver estes problemas, diz Varanasi.

O projeto foi apoiado pela NASA e utilizou instalações fornecidas por diversas outras empresas e organizações.