Loading...
Publication
Antibiotic-lipid based nanosystem as a tool to specifically target Staphylococcus aureus biofilms
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 9.73 MB | Adobe PDF |
Abstract(s)
Abstract - Hospital acquired infections (HAIs) is one of the leading causes of death worldwide, with Staphylococcus aureus being among the most prevalent microorganisms implicated in these infections. The ability of S. aureus to form biofilms and evade the immune system, along with the emergence of multidrug-resistant strains (MDR), exacerbates the complexity of eradicating infections. Conventional therapies characterized by prolonged antibiotic regiments have a poor rate of success, mainly due to the reduced penetration of antibiotics through the biofilms and low accumulation levels at infected sites. The ineffectiveness of current treatments has stimulated extensive research into the development of innovative therapeutic approaches. To address this need, the aim of this thesis was the development of a nanosystem by incorporating an antibiotic into liposomes, taking advantage of the unique benefits offered by these nanotechnological platforms. For this purpose, we first explored the antibacterial activity of three common antibiotics in clinical use – levofloxacin (LEV), vancomycin (VCM) and rifabutin (RFB) – against a reference strain of S. aureus (ATCC®25923™) in both planktonic and biofilm states. Subsequently, the antibiotics were incorporated into liposomes with different lipid compositions, and their incorporations parameters were assessed. Free RFB displayed the most potent antibacterial effect with MIC and MBIC50 below 0.006 µg/mL, along with the highest antibiotic loading capacity when nanoformulated, preserving its antibacterial activity. Based on these results, RFB was selected for further in vitro studies and the influence of the different lipid compositions on bacterial biofilm interactions was assessed, using a biofilm transwell model and confocal scanning laser microscopy analysis. It was observed that the positively charged RFB liposomes (LIP3) exhibited the highest interaction with biofilms. Nevertheless, RFB incorporated in negatively charged liposomes with fusogenic properties (LIP1) displayed lower MBIC50 values. Preliminary safety assessment of RFB formulations towards osteoblast and fibroblast cell lines indicated that a reduction in cell viability was only observed for the LIP3. Taking this into account, LIP1 was selected to move forward. Following these findings, the potential of free RFB was validated in a collection of S. aureus clinical isolates to provide a more accurate reflection of the challenges faced in real-world settings, in both planktonic (n=114) and biofilm (n=40) states. Additionally, the antibacterial activity of RFB incorporated in our developed liposome (LIP1) was validated against a set of clinical isolates (n=40) in both states. In conclusion, all the work developed contributed to the pursuit of effective therapeutic strategies for planktonic and biofilm-associated S. aureus infections, by exploring the potential of antibiotic repurposing and incorporating them into liposomes
RESUMO - Nanosistema lipídico com incorporação de antibióticos como uma ferramenta para combater especificamente biofilmes de Staphylococcus aureus - As infeções hospitalares representam uma das principais causas de mortalidade em todo o mundo, sendo o Staphylococcus aureus um dos microrganismos mais frequentemente associado. A sua capacidade de formar biofilmes e evadir o sistema imunitário, bem como o aparecimento de estirpes multirresistentes, aumenta a complexidade do tratamento. As terapias convencionais envolvem a administração prolongada de antibióticos, com eficácia limitada, devido à sua dificuldade de penetração nos biofilmes e à baixa concentração que o antibiótico atinge nos locais de infeção, exigindo abordagens terapêuticas mais eficazes. O objetivo desta tese foi o desenvolvimento de um nanosistema, que incorpora antibióticos em lipossomas e a validação da sua eficácia para o tratamento de infeções por S. aureus. Para tal, foi explorada a atividade antibacteriana de três antibióticos comuns em uso clínico – levofloxacina (LEV), vancomicina (VCM) e rifabutina (RFB) – contra uma estirpe de referência de S. aureus (ATCC®25923™) no estado planctónico e em biofilme. Em seguida, os antibióticos foram incorporados em lipossomas com diferentes composições lipídicas e avaliados os parâmetros de incorporação. A RFB livre apresentou a maior atividade antibacteriana, com valores de MIC e MBIC50 inferiores a 0,006 µg/mL, bem como a maior capacidade de carga de antibiótico quando nanoformulada, preservando a sua atividade antibacteriana. Com base nestes resultados, a RFB foi selecionada para os estudos seguintes, onde foi avaliada a influência das diferentes composições lipídicas na interação com o biofilme, recorrendo a um modelo de biofilme em transwell e à análise por microscopia confocal de varrimento a laser. Os lipossomas de RFB de carga positiva (LIP3) apresentaram a maior interação com os biofilmes. No entanto, a RFB incorporada em lipossomas de carga negativa com propriedades fusogénicas (LIP1) apresentou um valor de MBIC50 inferior. A avaliação preliminar da segurança destas nanoformulações, em linhas celulares de osteoblastos e fibroblastos, indicou que só foi observada uma redução da viabilidade celular para o LIP3. Tendo em conta esses resultados, o LIP1 foi selecionado para prosseguir para a fase subsequente do estudo tendo sido validado o potencial da RFB livre numa coleção de isolados clínicos de S. aureus no estado planctónico (n=114) e em biofilme (n=40), mimetizando os desafios enfrentados em cenários reais. A atividade antibacteriana da RFB incorporada no LIP1 foi também validada contra um conjunto de isolados clínicos (n=40) em ambas as formas. Em conclusão, o trabalho desenvolvido contribuiu para o desenvolvimento de estratégias terapêuticas eficazes para o tratamento de infeções por S. aureus, no estado planctónico e em biofilme, explorando o potencial de reposicionamento de antibióticos e incorporando-os em lipossomas
RESUMO - Nanosistema lipídico com incorporação de antibióticos como uma ferramenta para combater especificamente biofilmes de Staphylococcus aureus - As infeções hospitalares representam uma das principais causas de mortalidade em todo o mundo, sendo o Staphylococcus aureus um dos microrganismos mais frequentemente associado. A sua capacidade de formar biofilmes e evadir o sistema imunitário, bem como o aparecimento de estirpes multirresistentes, aumenta a complexidade do tratamento. As terapias convencionais envolvem a administração prolongada de antibióticos, com eficácia limitada, devido à sua dificuldade de penetração nos biofilmes e à baixa concentração que o antibiótico atinge nos locais de infeção, exigindo abordagens terapêuticas mais eficazes. O objetivo desta tese foi o desenvolvimento de um nanosistema, que incorpora antibióticos em lipossomas e a validação da sua eficácia para o tratamento de infeções por S. aureus. Para tal, foi explorada a atividade antibacteriana de três antibióticos comuns em uso clínico – levofloxacina (LEV), vancomicina (VCM) e rifabutina (RFB) – contra uma estirpe de referência de S. aureus (ATCC®25923™) no estado planctónico e em biofilme. Em seguida, os antibióticos foram incorporados em lipossomas com diferentes composições lipídicas e avaliados os parâmetros de incorporação. A RFB livre apresentou a maior atividade antibacteriana, com valores de MIC e MBIC50 inferiores a 0,006 µg/mL, bem como a maior capacidade de carga de antibiótico quando nanoformulada, preservando a sua atividade antibacteriana. Com base nestes resultados, a RFB foi selecionada para os estudos seguintes, onde foi avaliada a influência das diferentes composições lipídicas na interação com o biofilme, recorrendo a um modelo de biofilme em transwell e à análise por microscopia confocal de varrimento a laser. Os lipossomas de RFB de carga positiva (LIP3) apresentaram a maior interação com os biofilmes. No entanto, a RFB incorporada em lipossomas de carga negativa com propriedades fusogénicas (LIP1) apresentou um valor de MBIC50 inferior. A avaliação preliminar da segurança destas nanoformulações, em linhas celulares de osteoblastos e fibroblastos, indicou que só foi observada uma redução da viabilidade celular para o LIP3. Tendo em conta esses resultados, o LIP1 foi selecionado para prosseguir para a fase subsequente do estudo tendo sido validado o potencial da RFB livre numa coleção de isolados clínicos de S. aureus no estado planctónico (n=114) e em biofilme (n=40), mimetizando os desafios enfrentados em cenários reais. A atividade antibacteriana da RFB incorporada no LIP1 foi também validada contra um conjunto de isolados clínicos (n=40) em ambas as formas. Em conclusão, o trabalho desenvolvido contribuiu para o desenvolvimento de estratégias terapêuticas eficazes para o tratamento de infeções por S. aureus, no estado planctónico e em biofilme, explorando o potencial de reposicionamento de antibióticos e incorporando-os em lipossomas
Description
Tese de Doutoramento em Ciências Veterinárias na especialidade Ciências Biológicas e Biomédicas, área científica de Sanidade Animal
Keywords
S. aureus Biofilms Liposomes Antibiotic repurposing Clinical isolates S. aureus Biofilmes Lipossomas Reutilização de antibióticos Isolados clínicos
Pedagogical Context
Citation
Ferreira MSC. 2024. Antibiotic-lipid based nanosystem as a tool to specifically target Staphylococcus aureus biofilms [dissertation]. Lisboa: FMV-Universidade de Lisboa
Publisher
Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina Veterinária