Unraveling the antibacterial mode of action of a clay from the Colombian Amazon

Abstract

Natural antibacterial clays can inhibit growth of human pathogens; therefore, understanding the antibacterial mode of action may lead to new applications for health. The antibacterial modes of action have shown differences based on mineralogical constraints. Here we investigate a natural clay from the Colombian Amazon (AMZ) known to the Uitoto natives as a healing clay. The physical and chemical properties of the AMZ clay were compared to standard reference materials: smectite (SWy-1) and kaolinite (API #5) that represent the major minerals in AMZ. We tested model Gram-negative (Escherichia coli ATCC #25922) and Gram-positive (Bacillus subtilis ATCC #6633) bacteria to assess the clay's antibacterial effectiveness against different bacterial types. The chemical and physical changes in the microbes were examined using bioimaging and mass spectrometry of clay digests and aqueous leachates. Results indicate that a single dose of AMZ clay (250 mg/mL) induced a 4-6 order of magnitude reduction in cell viability, unlike the reference clays that did not impact bacterial survival. AMZ clay possesses a relatively high specific surface area (51.23 m(2)/g) and much higher total surface area (278.82 m(2)/g) than the reference clays. In aqueous suspensions (50 mg clay/mL water), soluble metals are released and the minerals buffer fluid pH between 4.1 and 4.5. We propose that the clay facilitates chemical interactions detrimental to bacteria by absorbing nutrients (e.g., Mg, P) and potentially supplying metals (e.g., Al) toxic to bacteria. This study demonstrates that native traditional knowledge can direct scientific studies.

Kisameet Glacial Clay: an Unexpected Source of Bacterial Diversity

“…Pioneering work has demonstrated the broad spectrum of activity of several natural mineral clays in vitro (13–16; reviewed in reference 17). The mechanism(s) of action of different clays appears diverse and/or multifactorial and may include pH and redox buffering of metal ion toxicity (Fe 2+ and Al 3+ ), adsorption and release of compounds in clay interlayers, absorption of micronutrients required for bacterial growth, or proliferation of bacterial species that produce antibacterial compounds (14, 18, 19). …”

Efecto de la arcilla medicinal en quemaduras de segundo grado en pacientes del Hospital Nacional Alberto Sabogal Sologuren

“…La arcilla medicinal gris que se utilizó contiene un 49% de SiO 2 y un 14% de Al 2 O 3 (alúmina), composición muy similar a las encontradas en arcillas de Ocaya (Brasil) (10) , Amazonia colombiana (17) , Kolop (Hungría) (18) y Portugal (19) . Dário et al, (10) (10) mencionan que estas concentraciones podrían no ser lo más adecuado para caliicar una arcilla medicinal, debido a que altas concentraciones de sílice podrían actuar reabsorbiendo metales pesados que, si bien son necesarios para las bacterias patógenas cutáneas, también son importantes para las células propias (20,21) ; así mismo, si se encuentran concentraciones elevadas de sílice en forma cristalina, Gráico 1.…”

“…Evolución del proceso inlamatorio de las quemaduras de segundo grado tratadas con arcilla medicinal gris en el CAMEC Sabogal estas podrían ser inhaladas y desencadenar un efecto proinlamatorio y apoptosis por producción de radicales libres, formación de fagosomas en tejido pulmonar y ibrosis (22,23) . También se ha postulado que la alúmina puede tener propiedades bactericidas, ya que priva de sustrato a los patógenos dérmicos, por lo que se sugiere que su concentración en arcillas medicinales sea mayor al 40% (11,17) .…”

“…Esto favorece la hipótesis de que los componentes de la arcilla podrían tener algún efecto antibacteriano. Londoño et al, (17) y Hayden et al, (19) reportaron que las nanopartículas de arcilla absorbían nutrientes como Mg o P, necesarios para el mantenimiento de las funciones metabólicas y la estabilidad de la membrana externa de E. coli. Así mismo, se producía un aumento de metales solubles como Al +3 que pueden alterar las interacciones lípido-proteicas en la membrana celular, interiere con el potencial de membrana e inhibe las proteínas de transporte.…”

“…Estas complicaciones pueden ser prevenidas, entendiendo que la quemadura es una lesión a nivel de epidermis y/o dermis que va a desencadenar un proceso inlamatorio que, como en cualquier herida, seguirá las fases de inlamación (1-3 días), proliferación (3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)(19)(20)(21) días) y remodelación (21 días a un año) (3,4) . En esta última fase, la cual es ejecutada por los ibroblastos, es donde las quemaduras se diferencian de otros procesos inlamatorios causados por otras clases de heridas.…”