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Universidad del Magdalena Facultad de ciencias de la salud Programa de medicina 2° semestre
Bioelectricidad Microbiana: Evaluación del
ΔV en Epitelios Infectados
Estudiante: Antonio Moises Herrera Escaño Docente: Leonardo Carlos pacheco Londoño Asignatura: Biofisica Fecha: 26 de mayo de 2025
Resumen
La bioelectricidad microbiana estudia cómo ciertos patógenos responden a señales eléctricas del hospedero. Algunas bacterias, como Escherichia coli , pueden migrar hacia zonas de bajo potencial transepitelial (ΔV), fenómeno conocido como electrotaxis. Este estudio evaluó los cambios en el ΔV de un modelo epitelial in vitro tras la infección con E. coli , utilizando células Caco-2. Los resultados mostraron una disminución significativa del ΔV post-infección, lo cual sugiere daño en la barrera epitelial y la posible generación de un gradiente eléctrico que favorece la migración bacteriana. Estos hallazgos refuerzan el papel del ΔV como mediador en la interacción hospedero-patógeno. Palabras clave: bioelectricidad microbiana, potencial transepitelial, electrotaxis, epitelio, Escherichia coli.
Objetivos Objetivo general: Evaluar la alteración del potencial transepitelial (ΔV) en un modelo epitelial in vitro tras infección por Escherichia coli. Objetivos específicos:
- Cuantificar la variación del ΔV en células Caco-2 antes y después de la infección con E. coli.
- Comparar la magnitud de la reducción de ΔV con controles tratados con ionóforo para evaluar la disrupción bioeléctrica inducida.
Introducción
La bioelectricidad microbiana es un campo emergente que explora cómo los microorganismos generan, detectan y responden a señales eléctricas en su entorno. Si bien tradicionalmente la bioelectricidad ha sido estudiada en células animales, como neuronas o células epiteliales, en las últimas décadas se ha evidenciado que diversas bacterias también exhiben propiedades bioeléctricas relevantes, tanto para su fisiología como para su capacidad de interactuar con tejidos del hospedero. Un hallazgo particularmente interesante es la capacidad de algunas bacterias patógenas, como Escherichia coli , para detectar gradientes eléctricos en los epitelios humanos y dirigir su movimiento en respuesta a estos. Este fenómeno, conocido como electrotaxis , permite a los microorganismos moverse hacia regiones de bajo potencial transepitelial (ΔV), las cuales suelen coincidir con zonas de lesión o inflamación. En este sentido, el campo eléctrico generado naturalmente por el epitelio puede convertirse en una señal guía involuntaria para la migración bacteriana durante el proceso infeccioso. Desde el punto de vista del hospedero, el ΔV epitelial es una manifestación de la polarización y funcionalidad del tejido. Su alteración indica daño o disfunción, pero también puede representar una oportunidad para que los patógenos aprovechen el gradiente eléctrico como vía de invasión. De este modo, la bioelectricidad no solo constituye un parámetro fisiológico, sino también un eje de interacción microbiana con potencial diagnóstico y terapéutico. El estudio de la bioelectricidad microbiana no se limita a entender cómo las bacterias responden al ΔV. También investiga cómo los propios microorganismos pueden generar corrientes eléctricas mediante transferencias de electrones a su entorno, como ocurre en
Por otro lado, la propia infección bacteriana contribuye a la alteración del ΔV epitelial. La adhesión bacteriana, la secreción de toxinas y la activación de vías inflamatorias afectan las uniones celulares y la homeostasis iónica, reduciendo el potencial transepitelial. Esta reducción puede amplificar el reclutamiento bacteriano mediante electrotaxis, generando un círculo vicioso de daño y colonización. La medición del ΔV en modelos in vitro, como monocapas de células Caco-2 en cámaras de Ussing, permite cuantificar estos efectos de forma controlada, proporcionando un modelo útil para estudiar las interacciones bioeléctricas durante la infección. Además del interés clínico, la bioelectricidad microbiana se extiende hacia aplicaciones biotecnológicas. Algunas bacterias, como Geobacter y Shewanella , son capaces de transferir electrones a superficies sólidas, generando corrientes eléctricas en dispositivos conocidos como celdas de combustible microbianas. Aunque este enfoque se aleja del contexto epitelial, subraya la capacidad de los microorganismos para interactuar activamente con su entorno eléctrico. En conjunto, estos hallazgos resaltan la importancia de considerar la bioelectricidad como un factor clave en la dinámica hospedero-patógeno. El ΔV no solo representa la integridad del epitelio, sino que puede actuar como una señal involuntaria que dirige el comportamiento de bacterias patógenas durante las infecciones. Estudiar estos fenómenos puede abrir nuevas vías para el desarrollo de terapias eléctricamente moduladas o estrategias antimicrobianas que interfieran con la electrotaxis bacteriana.
Metodología
Se diseñó un experimento in vitro para medir el potencial transepitelial (ΔV) en una monocapa de células epiteliales antes y después de la infección con Escherichia coli. Se utilizó la línea celular Caco-2, derivada de carcinoma colorrectal humano, ampliamente reconocida por su capacidad de diferenciarse y formar una barrera epitelial funcional con características similares al epitelio intestinal. Las células Caco-2 fueron cultivadas en insertos permeables de poliéster (Transwell®) durante 21 días, con medio DMEM suplementado con 10% de suero fetal bovino, antibióticos y L-glutamina. El medio se renovó cada 2 días. La formación de una monocapa íntegra y polarizada se verificó mediante la estabilidad del ΔV basal. Se empleó una cepa no toxigénica de E. coli (K-12) para la infección. La bacteria fue cultivada en caldo LB hasta fase logarítmica, lavada y resuspendida en PBS estéril. Posteriormente, se aplicó una carga bacteriana de 10⁶ UFC/mL en el compartimiento apical de los insertos. El grupo control recibió únicamente PBS estéril. La medición del ΔV se realizó con electrodos tipo chopstick conectados a un voltímetro de alta sensibilidad, registrando el valor basal y los cambios a las 3 y 6 horas post- infección. Se tomaron tres réplicas por condición. Además, se controlaron variables como pH, temperatura (37 °C) y condiciones de CO₂ (5%).
Los datos fueron analizados estadísticamente mediante una prueba t de Student, considerando significancia con p < 0,05. Resultados Tabla 1. Cambios en el potencial transepitelial (ΔV) en monocapas de células Caco-2 tras infección con E. coli Grupo Tiempo post- infección Δ V promedio (mV) ± DE % Cambio respecto al basal Control (PBS) 0 h 22.5 ± 1.1 – 3 h 22.3 ± 0.9 –0.9% 6 h 22.0 ± 1.2 –2.2% E. coli infectado 0 h 22.4 ± 1.0 – 3 h 16.7 ± 1.5 –25.4% 6 h 12.2 ± 1.7 –45.5% ΔV: potencial transepitelial medido con electrodos tipo chopstick. DE: desviación estándar. Cada valor representa el promedio de 3 réplicas biológicas. El % de cambio se calculó comparando con el valor basal (0 h) del mismo grupo. Discusión Los resultados obtenidos en este estudio evidencian una disminución significativa del potencial transepitelial ( ΔV) en monocapas de células Caco-2 tras la infección con Escherichia coli. Mientras que el grupo control mantuvo valores estables de ΔV a lo largo del experimento, el grupo infectado mostró una reducción progresiva, alcanzando una caída de más del 45% a las 6 horas post-infección. Esta diferencia sugiere un claro compromiso en la integridad epitelial asociado a la interacción con la bacteria. Estos hallazgos concuerdan con estudios previos que han demostrado que E. coli , al adherirse al epitelio, puede inducir disfunción en las uniones estrechas, aumentar la permeabilidad
Referencias
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