Novel therapeutic strategies for the management of diabetic foot infections : the evaluation of selected antimicrobial peptides against clinically isolated bacterial pathogens

Abstract

Diabetic foot infections (DFIs) are a frequent complication of Diabetes mellitus. These ulcers are prone to be colonized by Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa, including multidrug resistant and biofilm-producing strains, possibly leading to DFI chronicity and amputation. New therapeutic strategies for DFI management are urgent and the antimicrobial peptides (AMPs) nisin and pexiganan are potential candidates. This project aimed to evaluate the activity of these AMPs, incorporated in a guar gum biogel, against selected DFI clinical isolates. Firstly, nisin’s activity against a collection of S. aureus DFI clinical isolates was determined. Results showed that nisin was able to inhibit and eradicate S. aureus planktonic and biofilm cells at concentrations below its acceptable daily intake. When incorporated in the biogel, nisin kept its antimicrobial activity. This work also evaluated the potential of nisin to complement the activity of conventional antiseptics and antibiotics against established biofilms formed by these isolates. An in vitro antimicrobial schematic protocol was developed to mimetize DFI management guidelines. Fifteen antimicrobial combinations, including nisin-biogel, chlorhexidine, clindamycin, gentamicin and vancomycin, were tested. Results showed that the higher levels of biofilm inhibitory effects were presented by therapeutic combinations that included the nisin-biogel formulation. Nisin-biogel ideal storage conditions and cytotoxicity were also evaluated. Results demonstrate that if stored at temperatures between -20 and 22ºC, nisin-biogel is able to maintain its antimicrobial activity up to 24 months. Moreover, after 24 h of exposition, the nisin-biogel presented no significant levels of toxicity regarding the human keratinocytes under study. Lastly, to cover the complex microbiota present in DFIs, a combination of AMPs with different action spectra was developed, based on the simultaneous incorporation of nisin and pexiganan in the biogel. The activity of this dual-AMPs formulation was tested against two S. aureus and P. aeruginosa strains isolated from the same DFI. Acting together, these AMPs were able to diffuse from the biogel and inhibit and eradicate biofilms formed by these DFI isolates. The effectiveness of AMPs, particularly nisin and pexiganan, as novel antimicrobial strategies for the management of DFIs is still an unknown territory that merits investigation. In vitro biofilm models are the basis of preliminary research; however, they underrepresent the complex microbiota present in DFIs and their interaction with the immune system and skin cells constituents. Further research is necessary to understand the AMPs full potential regarding the clinical management of biofilm-related diseases, such as DFIs.

RESUMO - As infecções do pé diabético (IPDs) são uma complicação frequente da Diabetes mellitus. Estas úlceras tendem a ser colonizadas por Staphylococcus aureus e Pseudomonas aeruginosa, incluindo estirpes multirresistentes e produtoras de biofilme, possivelmente causando cronicidade da IPD e amputação. É urgente criar novas estratégias para o tratamento das IPD e os péptidos antimicrobianos (PAMs) nisina e pexiganan são potenciais candidatos. Este projecto avaliou a actividade destes PAM, incorporados num biogel de goma de guar, contra isolados de IPD. Primariamente, foi determinada a actividade da nisina contra uma colecção de S. aureus isolados de IPD. Os resultados mostraram que a nisina é capaz de inibir e erradicar S. aureus na forma planctónica e de biofilme a concentrações abaixo da dose diária recomendada. Quando incorporada no biogel, a nisina manteve a sua actividade. Foi ainda avaliado o potencial da nisina para complementar a actividade de antissépticos e antibióticos convencionais contra biofilmes formados por estes isolados. Foi criado um protocolo que simula in vitro o tratamento convencional das IPDs. Foram testadas 15 combinações de antimicrobianos, incluindo biogel de nisina, clorohexidina, clindamicina, gentamicina e vancomicina. Os resultados mostraram que o maior efeito inibidor de biofilmes pertencia a combinações que incluam o biogel de nisina. Foram também avaliadas as condições de armazenamento ideais para o biogel de nisina e a sua citotoxicidade. Quando armazenado a temperaturas entre -20 e 22ºC, o biogel de nisina manteve a sua actividade antimicrobiana durante pelo menos 24 meses. Adicionalmente, após exposição durante 24 horas, o biogel de nisina não apresentou níveis significativos de toxicidade relativamente aos queratinócitos humanos em estudo. Por último, para abranger a complexa microbiota presente nas IPDs, foi avaliada uma combinação de PAMs com diferentes espectros de acção, baseada na incorporação simultânea de nisina e pexiganan no biogel. A actividade desta formulação foi testada contra duas estirpes de S. aureus e P. aeruginosa isoladas da mesma IPD. Conjuntamente, estes PAMs foram capazes de se difundir do biogel e inibir e erradicar biofilmes formados por estes isolados. A eficácia dos PAMs como novas estratégias para o tratamento das IPD é ainda uma área desconhecida. Os modelos in vitro de biofilmes são a base da investigação; contudo, não representam a microbiota presente nas IPD nem a sua interacção com o sistema imunitário e outros constituintes celulares. É essencial continuar a investigar para compreender o potencial dos PAMs na terapêutica de doenças onde haja formação de biofilmes, como é o caso das IPDs.