L’uso di composti metallici come agenti antimicrobici risale a migliaia di anni e nel 20 ° secolo, solo per essere sostituito dall’introduzione di antibiotici organici a metà del 20 ° secolo (Hobman e Crossman, 2015). Gli antimicrobici a base di metallo (MBA) mostrano promesse di sostenibilità verso le malattie trasmissibili (obiettivi di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite‐3.3), tuttavia il loro uso e le loro pratiche influenzano altri SDG, tra cui 3.9, 6.3 e 12.4 che si riferiscono tutti ad ambienti non inquinati per una vita sana.
L’obiettivo finale degli antimicrobici è l’alta efficacia a basso dosaggio senza l’evoluzione della resistenza. Un rinnovato interesse per i metalli come agenti antimicrobici e biocidi si riflette nella speranza che meno resistenza evolverà. Gli antibiotici tradizionali tendono a seguire il concetto di proiettile-bersaglio, agendo su specifici processi biochimici: replicazione, trascrizione, traduzione e altri enzimi metabolici di pulizia, che forniscono facilità di resistenza progressiva (Tenover, 2006; Aminov, 2010). In alternativa, i metalli sembrano indirizzare più processi cellulari che portano a effetti pleiotropici sulle cellule batteriche (Lemire et al., 2013).
È ormai risaputo che una varietà di ioni metallici sono tossici per i batteri (Nies, 1999; Harrison et al., 2004). Nel complesso, i metalli che vengono sempre più considerati per gli agenti antimicrobici sono tipicamente all’interno dei metalli di transizione del blocco d, (V, Ti, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Tb, W, Ag, Cd, Au, Hg) e alcuni altri metalli e metalloidi dai gruppi 13-16 della tavola periodica (Al, Ga, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, Pb e Bi). Un’interessante scoperta fatta oltre 10 anni fa che i metalli hanno una forte efficacia contro i microbi che crescono come biofilm (Teitzel e Parsek, 2003; Harrison et al., 2004). Questo era significativo in quanto un fenotipo quintessenziale dei biofilm è la loro resistenza antimicrobica (Stewart e Costerton, 2001). Inoltre, i metalli hanno dimostrato una certa efficacia sulle cellule persistenti, le varianti dormienti delle cellule regolari che erano impermeabili agli antibiotici (Harrison et al.,2005 bis, b).
Abbiamo visto un’ampia diffusione commerciale di MBA negli ultimi decenni, in particolare Cu e Ag. Gli studi hanno documentato l’efficacia e le prestazioni degli ioni metallici per un certo numero di dispositivi e prodotti medici. Di seguito sono riportati alcuni esempi: le medicazioni contenenti Ag si sono dimostrate molto efficaci, dimostrando una riduzione del 99% della vitalità cellulare (Boonkaew et al., 2014). I cateteri urinari rivestiti in Ag mostrano un beneficio significativo per i pazienti con infezioni del tratto urinario, rispetto ai cateteri tradizionali rivestiti in lega (Rupp et al., 2004). I rivestimenti combinati prodotti attraverso la deposizione di Ag e Ti hanno anche dimostrato una diminuzione della vitalità cellulare nei confronti di Staphylococcus aureus e Klebsiella pneumoniae, pur non mostrando alcuna citotossicità per le cellule epiteliali e osteoblastiche (Ewald et al., 2006). Con l’aumento della trasmissione da agenti patogeni su varie superfici, sono stati esaminati vari rivestimenti Cu per il loro potenziale nel ridurre la vitalità dei microrganismi patogeni; i rapporti hanno dimostrato una riduzione della Listeria monocytogenesnm (Wilks et al., 2006), Escherichia coli, incluso un E. coli verocitotossigenico (Wilks et al., 2005), Mycobacterium tuberculosis (Mehtar et al. 2008), Salmonella enterica, Camplylobacter jejuni (Faúndez et al., 2004), enterococchi resistenti alla vancomicina (Warnes e Keevil, 2011), S. aureus resistente alla meticillina (Noyce et al., 2006). La vitalità dei batteri è sulle scale di tempo da pochi minuti a poche ore con esposizione superficiale Cu, rispetto ad altre superfici come acciaio inossidabile, PVC, bronzo di alluminio e bronzo di silicio. Le maschere respiratorie protettive impregnate di ossido di rame mostrano una maggiore attività biocida anti-influenzale (Borkow et al., 2010) e calzini impregnati di Cu hanno dimostrato di migliorare la guarigione di ferite e tagli minori nei pazienti diabetici (Borkow et al., 2009). Ora è anche comune vedere ionizzatori Cu / Ag usati per controllare la Legionella nei sistemi di distribuzione dell’acqua potabile negli ospedali per mitigare le infezioni nosocomiali (Lin et al., 2011). Il controllo di molti degli organismi di cui sopra è la chiave per la sostenibilità della salute, come molti sono notati nella recente lista dei patogeni prioritari dell’OMS di cui sono urgentemente necessari nuovi antibiotici (Tacconelli et al., 2017).
Attualmente, i composti contenenti metallo possono essere acquistati nei negozi e sul Web; infatti, l’argento ha trovato la sua strada in numerosi prodotti di consumo, come abbigliamento, deodoranti, spazzolini da denti, bicchieri e persino lavatrici a ionizzatore d’argento. Le aziende offrono ora servizi di rivestimento in argento per una gamma di prodotti, dalla pavimentazione agli utensili da cucina e ai contenitori per la conservazione degli alimenti, per citarne alcuni. In parallelo, vediamo anche l’uso del rame per molti di questi tipi di prodotti. La pubblicità del prodotto include la fiducia nella sicurezza dell’uso del metallo come antimicrobico, tuttavia, nonostante la ricchezza di informazioni pubblicate sui meccanismi della tossicità del metallo, in molti casi i meccanismi precisi con cui uccidono i microbi e il loro effetto sulle cellule umane rimane ancora poco chiaro.
Sebbene utile nella commercializzazione, tali usi comuni di MBA porteranno a una perdita di efficacia, simile all’uso improprio e all’uso eccessivo di antibiotici che ha portato a ceppi di resistenza multi‐antibiotica e alla loro rapida perdita di efficacia. Sfortunatamente, potrebbe essere già troppo tardi, almeno per Ag e Cu, a causa della loro distribuzione diffusa. Inoltre, ci sono già numerosi rapporti sulla resistenza crociata tra diversi antimicrobici a base di metallo (ad esempio la resistenza crociata Cu e Ag riportata da Torres‐Urquidy e Bright, 2012), che può portare alla resistenza multimetale (MMR). Certamente, i microbi, in particolare crescendo come biofilm, hanno la capacità intrinseca di sviluppare MMR (Harrison et al., 2007).
Le pratiche di sostenibilità dell’uso degli MBA dovrebbero includere anche una discussione sui rifiuti. Vediamo già MBA utilizzati nel settore agricolo per il bestiame e le colture, che porta ad un aumento del carico metallico nei terreni e precipitazione/deflusso di irrigazione. Inoltre, sembrano esserci co-occorrenza e coselezione di geni di resistenza agli antibiotici con geni di resistenza ai metalli (Li et al., 2017). Come complemento agli approcci biotecnologici, la rivoluzione tecnologica dell’omic, in particolare la genomica e la proteomica, può fornire biomarcatori per i tratti di resistenza una volta identificati. In definitiva, questo può portare all’uso sostenibile di antimicrobici metallici attraverso approcci applicativi focalizzati/personalizzati, specialmente quando gli MBA non vengono distribuiti quando sono presenti marcatori di resistenza.
Il biorisanamento di inquinanti tossici, inclusi i metalli, è fondamentale per la salute e il benessere economico sostenuti. Tuttavia, nella maggior parte dei paesi del mondo, la legislazione è debole e le multe moderate sono per la maggior parte delle industrie semplicemente considerate il costo di fare affari. Per la maggior parte, c’è poca forza trainante per la bonifica e quindi, vediamo scavare e scaricare o recintare le pratiche al meglio. Senza una legislazione e sanzioni più severe, l’unico modo per ispirare l’industria è l’aggiunta di incentivi verso un prodotto nel processo di biorisanamento. Questo sta diventando una possibilità nel regno del biorisanamento di contaminanti metallici e metalloidi.
Per mitigare questa fonte di inquinanti metallici, dovrebbero essere impiegate strategie di bonifica attraverso il biorisanamento microbico. Sebbene la resistenza ai metalli possa avvenire attraverso meccanismi di assorbimento o efflusso ridotti, altri meccanismi da sfruttare nelle biotecnologie per il biorisanamento dei metalli sono la biotrasformazione e la precipitazione insieme al biosorbimento dei metalli. La precipitazione (attraverso la biomineralizzazione) è una prospettiva entusiasmante per recuperare metalli da sistemi acquatici/marini contaminati da metalli (Golby et al., 2014). Ad esempio, i bio‐scrubber microbici delle comunità di microbi per la lavorazione dei metalli potrebbero essere impiegati nei siti di trattamento delle acque reflue municipali in cui vengono rilasciati milioni di dollari di metalli preziosi all’anno (Dobson e Burgess, 2007; Westerhoff et al., 2015).
Recentemente, c’è stata un’esplosione nello sviluppo di nano‐antimicrobici a base di metalli (Dastjerdi e Montazer, 2010). Inoltre, un’eccitante biotecnologia che utilizza microbi come fabbriche chimiche verdi per produrre nanomateriali metallici è in fase di sviluppo; questi nanomateriali biofactory-prodotti sono stati esplorati per la loro efficacia e valore come nano-MBA. Gli esempi includono AuNP (Maliszewska et al., 2014), AgNP (Fayaz et al., 2010), SeNP (Cremonini et al., 2016; Piacenza et al., 2017) e TenP (Srivastava et al., 2015). Qui, si possono usare batteri per la bonifica di un inquinante metallico per generare nuovi materiali nano‐MBA in modo sostenibile. L’utilizzo di microbi per produrre nanomateriali metallici con proprietà antimicrobiche è una promessa biotecnologica realistica verso la sostenibilità, poiché sfrutta approcci sintetici verdi verso nanomateriali stabili, superiori alle loro controparti sintetizzate chimicamente.
Mentre la ricerca fino ad oggi su MBA ha notevoli promesse, la comprensione della tossicologia di questi metalli su esseri umani, bestiame, colture e l’ecosistema (microbico) nel suo complesso è carente. L’esposizione cronica è spesso ignorata. Per ottenere una pratica sostenibile, le politiche basate sull’esposizione sia acuta che cronica devono essere studiate sistematicamente in parallelo con le proprietà antimicrobiche/biocidi dei metalli.