Novas estratégias para entender o sistema de influxo de antibióticos e a resistência antimicrobiana a nível molecular

As fluoroquinolonas são antibióticos que têm um largo espectro de ação contra bactérias, especialmente Gram-negativas. O seu mecanismo de ação assenta na inibição de enzimas responsáveis pela replicação do DNA. Porém, devido ao seu uso indevido, o surgimento de resistência bacteriana a estes antibióticos tem-se tornado um grave problema de saúde pública. Uma vez que os seus alvos de ação se situam no meio intracelular, a redução da permeabilidade da membrana externa de bactérias Gram-negativas constitui um dos mecanismos de resistência mais conhecidos. Esta redução é associada à baixa expressão ou mutações em porinas necessárias para permitir o seu transporte, mais concretamente, da OmpF. Estudos prévios demonstraram que a coordenação de fluoroquinolonas com iões metálicos divalentes e 1,10-fenantrolina (genericamente designados metaloantibióticos) são potenciais candidatos como alternativa às fluoroquinolonas convencionais. Estes metaloantibióticos exibem um efeito antimicrobiano comparável ou superior à fluoroquinolona na forma livre, mas parecem ter uma via de translocação diferente, independente de porinas. Estas diferenças no mecanismo de captura podem ser fundamentais para contornar a resistência bacteriana. De forma a compreender o papel dos lípidos no mecanismo de entrada dos metaloantibióticos, estudou-se a interação e localização dos metaloantibióticos da Ciprofloxacina (2ª geração), da Levofloxacina (3ª geração) e Moxifloxacina (4ª geração) com um modelo de membranas de Escherichia coli desprovido de porinas. Estes estudos foram realizados através de técnicas de espectroscopia de fluorescência, por medições em modo estacionário e resolvida no tempo. Os coeficientes de partição determinados demonstraram uma interação mais elevada dos metaloantibióticos relativamente às respetivas fluoroquinolonas na forma livre, um facto que está diretamente relacionado com as espécies existentes em solução a pH fisiológico. Os estudos de localização mostraram que estes metaloantibióticos devem estar inseridos na membrana bacteriana, confirmando a sua entrada independente de porinas. Este mecanismo de entrada, pela via hidrofóbica, é potenciado por interações eletrostáticas entre as espécies catiónicas de metaloantibiótico que existem a pH 7,4 e os grupos carregados negativamente dos fosfolípidos da membrana. Desta forma, os resultados obtidos neste estudo sugerem que a via de entrada dos metaloantibióticos e das respetivas fluoroquinolonas deve ser diferente. Os metaloantibióticos são candidatos adequados para a realização de mais testes laboratoriais e uma alternativa promissora para substituir as fluoroquinolonas convencionais, uma vez que parecem ultrapassar um dos principais mecanismos de resistência bacteriana a esta classe de antibióticos.

ISCR and their association with antibiotic resistance genes

A prevalência de bactérias resistentes a antibióticos em ambiente hospitalar tem vindo a tornar-se dramática e preocupante a nível mundial. Contudo, com a utilização inadequada de antibióticos em áreas tão diversas como a veterinária, a aquacultura e a agricultura, esta deixou de estar confinada ao ambiente hospitalar, sendo o ambiente um reservatório natural de microganismos resistentes a estes compostos. O conhecimento detalhado dos determinantes de resistência a antibióticos presentes nestes ambientes, sejam estes genes de resistência ou estruturas envolvidas na sua mobilização, é fundamental, não só do ponto de vista do conhecimento como para a eventual implementação de medidas de contenção da sua disseminação. Neste contexto, são necessários estudos que permitam conhecer o panorama mais realista da distribuição destes determinantes de resistência a antibióticos, quer no meio ambiente quer no ambiente clínico. Assim, constituiu objectivo principal deste trabalho contribuir para o conhecimento do panorama actual da prevalência e distribuição dos elementos ISCR, bem como de outros determinantes de resistência a antibióticos em espécies de Gram-negativo clinicamente relevantes (Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii e Citrobacter freundii) recolhidas a partir de amostras de pacientes do Hospital Infante D. Pedro, EPE, Aveiro, Portugal, entre 2006 e 2008. Adicionalmente, foram também recolhidas bactérias de Gram-negativo do meio ambiente, a partir de amostras de águas e de vísceras de peixes, nas quais foram igualmente pesquisados os elementos acima referidos. À excepção dos isolados de E. coli e de Gramnegativo ambientais, todas as estirpes estudadas foram seleccionadas com base no seu perfil de multirresistência a antibióticos. Os resultados mostraram que em todas as espécies recolhidas no ambiente hospitalar foi detectada a presença de elementos ISCR, do tipo ISCR1 ou ISCR2. O elemento ISCR1, foi encontrado em isolados de E. coli, K. pneumoniae e C. freundii e o elemento ISCR2 em isolados de A. baumannii. Não foi detectada a presença de ISCRs nos isolados de Gram-negativo ambientais, o que sugere que a ocorrência dos mesmos é fortemente influenciada pela pressão selectiva exercida pelo ambiente em que os microrganismos se encontram. Genes qnr e integrões de classe 1 foram os determinantes de resistência mais frequentemente encontrados associados aos elementos ISCR1. Os vários determinantes de resistência foram encontrados em diferentes contextos genéticos e localizados em estruturas móveis, nomeadamente em plasmídeos. O elemento ISCR2 presente em isolados de A. baumannii encontra-se associado ao gene sul2 em todos os isolados, dentro de um mesmo contexto genético e com uma localização cromossomal. Contudo, o contexto genético encontrado nestes isolados é novo não tendo sido descrito até à data em outros microrganismos. O presente estudo constitui a primeira descrição de elementos ISCR intrinsecamente ligados a genes de resistência a antibióticos, em Portugal. Uma vez que estes elementos parecem ser responsáveis pela mobilização de um grande número de genes de resistência a antibióticos, a sua elevada incidência entre estirpes resistentes e multirresistentes, bem como a sua associação com genes de resistência é preocupante e requer vigilância.

Diversity of Aeromonas species from different environments in Portugal

Espécies de Aeromonas encontram-se distribuídas por diferentes habitats, estando especialmente relacionadas com ambientes aquáticos. O seu papel em complicações na saúde humana e animal é reconhecido. De facto, não só pelo seu potencial de virulência, mas também pelos determinantes genéticos de resistência a antibióticos que possam conter, estes organismos constituem uma preocupação na medicina humana e veterinária. Assim, é essencial o estudo da diversidade de espécies de Aeromonas bem como explorar as suas características fenotípicas e genéticas que podem conduzir a impactos negativos. A água constitui um importante veículo de transmissão de microrganismos e espécies de Aeromonas estão amplamente distribuídas em águas tratadas e não tratadas. Em Portugal é ainda comum o consumo de águas não tratadas cuja qualidade, na maioria das vezes, não é sujeita a monitorização, como acontece por exemplo, em explorações agrícolas de gestão familiar. Neste estudo, investigou-se a presença de Aeromonas em águas não tratadas para consumo. Estabeleceu-se também uma linha horizontal de colheitas de diferentes amostras de origem agrícola com o intuito de avaliar a possibilidade de a água ser uma das vias de contaminação de culturas agrícolas e animais por espécies de Aeromonas. Obtiveram-se 483 isolados que foram discriminados por RAPD-PCR. 169 estirpes distintas foram identificadas ao nível da espécie por análise filogenética baseada no gene gyrB. Verificou-se uma frequente ocorrência bem como uma diversidade considerável de espécies de Aeromonas. Em alguns casos, as relações genotípicas entre isolados de diferentes amostras eram muito próximas. Adicionalmente, a maioria das amostras continha diferentes espécies e estirpes distintas da mesma espécie. A. media e A. hydrophila foram as espécies mais ocorrentes. Um grupo de isolados apresentou variantes moleculares de gyrB diferente das conhecidas até agora, o que indica que poderão constituir espécies não descritas. O perfil de susceptibilidade da colecção de Aeromonas a diferentes antibióticos foi estabelecido, constituindo um perfil típico do género, com algumas excepções. Estirpes multirresistentes foram encontradas. A presença de genes tet e bla foi investigada por estudos de PCR, hibridação e, em alguns casos, de sequenciação. Como era esperado, cphA/imiS foi o mais detectado. A detecção de integrões fez-se por PCR e hibridação e a sua caracterização foi feita por sequenciação de DNA; a sua ocorrência foi reduzida. A maioria das estirpes sintetizou enzimas extracelulares com actividade lipolítica e proteolítica que potencialmente contribuem para virulência. A análise por PCR e hibridação permitiram a detecção de vários determinantes genéticos que codificam moléculas possivelmente envolvidas em processos patogénicos. Diversas espécies de Aeromonas apresentando características relacionadas com resistência a antibióticos e potencialmente de virulência estão frequentemente presentes em produtos para consumo humano e animal em Portugal. ABSTRACT: Aeromonas spp. are present in a wide range of ecological niches, being mainly related to aquatic environments. Their role in human and animal health complications is recognised. In fact, not only for their putative virulence but also for the antibiotic resistance genetic determinants Aeromonas may harbour, these organisms constitute an issue of concern in human and veterinary medicine. Thus, it is essential to get knowledge on Aeromonas sp. diversity and on their genotypic and phenotypic characteristics that may lead to negative impacts. Water constitutes a good contamination route for microorganisms and Aeromonas are widespread in untreated and treated waters from different sources. In Portugal there is still an extensive use of untreated water which is not regularly monitored for quality. This is often the case in family smallholding farms. In this study untreated drinking and mineral waters were assessed for their content in Aeromonas spp. Furthermore, a sampling scheme was designed to investigate the occurrence and diversity of Aeromonas sp. in different agricultural correlated sources and to assess the possibility of water being the transmission vehicle between those sources. 483 isolates were obtained and discriminated by RAPD-PCR. Identification at the species level for 169 distinct strains was done by gyrB based phylogenetic analysis. Results demonstrated the frequent occurrence and considerable diversity of Aeromonas spp. In some cases, genotypic close relations were found between isolates from different sources. Also, most samples contained different species and distinct strains of the same species. A. media and A. hydrophila were the most occurring. A group of isolates displayed gyrB gene sequences distinct from the previously known, indicating that they may constitute representatives of non-described species. The antibiotic susceptibility profile of the aeromonads collection was established and constituted a typical profile of the genus, although few exceptions. Multiresistance patterns were found. The presence of tet and bla genes was investigated by PCR, hybridisation and, in some cases, sequencing analysis. As expected, cphA/imiS was the most detected. Integrons were screened by PCR and hybridisation and characterised by DNA sequencing; low occurrence was recorded. The bulk of strains was able to produce extracellular enzymes with lipolytic and proteolytic activities, which may contribute to virulence. PCR and hybridisation surveys allowed the detection of distinct genetic determinants coding for molecules putatively involved in pathogenic processes. Diverse Aeromonas sp. presenting distinct antibiotic resistance features and putative virulence traits are frequently present in many sources for human and animal consumption in Portugal.

Molecular diversity and transferability of integrons from wastewaters

Na evolução bacteriana, a capacidade de explorar novos ambientes e de responder a diferentes pressões selectivas deve-se principalmente à aquisição de novos genes por transferência horizontal. Integrões são elementos genéticos bacterianos que constituem sistemas naturais de captura e expressão de cassetes de genes, sendo um dos principais mecanismos bacterianos envolvidos na aquisição de resistências a antibióticos. Estudos recentes suportam a hipótese de que os ambientes naturais constituem importantes reservatórios de integrões e cassetes de genes. Uma vez que as águas residuais são descarregadas em receptores naturais, torna-se fundamental conhecer a presença e dispersão de integrões nestes ambientes, assim como a sua associação a outros elementos genéticos móveis e a genes de resistências a antibióticos. Neste trabalho, pretendeu-se avaliar a prevalência e diversidade de integrões em águas residuais de origem animal e doméstica, bem como a sua associação a plasmídeos conjugativos, usando metodologias dependentes e independentes do cultivo de microrganismos em laboratório. Os resultados obtidos sustentam assim a hipótese de que ambientes particularmente ricos em matéria orgânica, como é o caso das águas residuais, constituem ambientes propícios à presença de integrões e à ocorrência de transferência horizontal de genes de resistência a antibióticos, embora a sua prevalência e diversidade seja influenciada pelo tipo de efluente em questão. A presença de integrões em estações de tratamento de águas residuais, e em especial nos efluentes tratados, constitui assim um factor preocupante, uma vez que tal contribui para a sua disseminação e dispersão por outros ecossistemas aquáticos, nomeadamente rios e mares. Os métodos utilizados permitiram também detectar uma elevada diversidade de cassetes de genes associadas a integrões, sendo possível que algumas dessas sequências codifiquem para proteínas que desempenhem um importante papel na adaptação bacteriana às intensas pressões selectivas características deste tipo de ambientes. Assim, é possível concluir que as comunidades bacterianas presentes em águas residuais reúnem diferentes tipos de elementos geneticamente móveis que desempenham um importante papel não só na adaptação bacteriana, mas também na disseminação de determinantes genéticos de resistência para ambientes naturais. Adicionalmente, a presença de potenciais proteínas com possíveis aplicações biotecnológicas reforça a importância das águas residuais como fontes de diversidade funcional. Este trabalho incluiu também a criação e implementação da base de dados INTEGRALL, desenvolvida com o intuito de congregar informação acerca de integrões e de uniformizar a nomenclatura de cassetes de genes.

Carbapenemases of Serratia fonticola UTAD54

As carbapenemases, serínicas e metalo-β-lactamases (MBLs), formam um grupo cada vez mais importante de β-lactamases capazes de tornar as bactérias resistentes a antibióticos β-lactâmicos, incluindo carbapenemos utilizados como antibióticos de último recurso no tratamento de infecções causadas por bactérias multirresistentes. De modo a compreender melhor a relação estrutura-função deste grupo de enzimas, prosseguimos com a caracterização bioquímica e estrutural das carbapenemases SFC-1 e Sfh-I específicas de Serratia fonticola UTAD54, uma estirpe ambiental isolada previamente de águas de consumo não tratadas no Nordeste de Portugal. Ambas as β-lactamases foram sobre-expressas em Escherichia coli e purificadas por cromatografia líquida. A SFC-1 recombinante, uma carbapenemase serínica, hidrolisa eficientemente antibióticos β-lactâmicos de todas as classes e exibe, comparativamente a enzimas relacionadas (ex. KPC), uma maior eficiência contra a ceftazidima e uma menor susceptibilidade aos inibidores convencionais das β-lactamases. As estruturas do cristal da SFC-1 nativa e de complexos de mutantes, obtidos por mutagénese dirigida, com o meropenemo não hidrolisado e na forma de acetilenzima foram determinados por substituição molecular utilizando cristalografia de raios-X. A estrutura da SFC-1 contém todas as características conservadas do centro activo das carbapenemases de classe A. Nas estruturas dos mutantes o meropenemo aparece orientado no centro activo por Thr236 e Thr238, posicionando-o próximo da Ser130 para a transferência do protão. Nas enzimas de classe A inibidas por carbapenemos, a interacção com a Arg244 impõe uma orientação diferente do meropenemo ligado, prejudicando a transferência do protão. Estas constituem as primeiras estruturas de uma carbapenemase de classe A com um carbapenemo no centro activo e revelam que estas enzimas alteram a orientação do meropenemo ligado para promover a catálise, sem alteração significativa da estrutura geral. A Sfh-I, tal como as outras MBLs da subclasse B2, apresenta um perfil de substratos reduzido, que inclui maioritariamente os carbapenemos. A Sfh-I hidrolisa imipenemo e meropenemo com um kcat de 51 e 109 s-1 e um KM de 79 e 215 μM, respectivamente. A Sfh-I liga um equivalente de zinco, como demonstrado por espectrometria de massa. Contrariamente a enzimas da subclasse B2 previamente caracterizadas, a Sfh-I hidrolisa a cefepima, mostrando que a Sfh-I é uma MBL da subclasse B2 com propriedades únicas. Por espectroscopia de fluorescência mostrou-se que a Sfh-I é capaz de ligar até 3 equivalentes de zinco (Kd2 = 95 μM; Kd3 = 2.3 mM). A estrutura do cristal da Sfh-I, determinada por substituição molecular utilizando a CphA como modelo, é a primeira para uma MBL da subclasse B2 não ligada. Esta estrutura revela a disposição das moléculas de água no centro activo corroborando um mecanismo catalítico para as MBLs da subclasse B2 no qual a His118, em vez do Asp120 proposto anteriormente, activa a molécula de água nucleofílica.

Phylogenetic and functional diversity of estuarine bacterioneuston

A micro-camada superficial da água (SML) é caracterizada pela ocorrência de grandes quantidades de compostos orgânicos, pela acumulação de contaminantes antropogênicos e é submetida a uma intensa radiação solar, extrema mudança de temperatura e, no caso dos estuários, flutuação de salinidade. Estas propriedades físico-químicas estão, provavelmente, a modular a comunidade bacteriana (bacterioneuston) com propriedades filogenéticas e funcionais específicas. Neste estudo, as abordagens dependentes e independentes do cultivo foram aplicadas para avaliar a estrutura e dinâmica das comunidades bacterioneuston e bacterioplâncton em três localizações geográficas ao longo do estuário da Ria de Aveiro. Além disso, comparámos a diversidade filogenética de grupos específicos (Aeromonas, Pseudomonas e Psychrobacter) presentes em bacterioneuston e bacterioplâncton. Finalmente, as duas comunidades foram comparadas em termos de prevalência e diversidade de bactérias resistentes aos antibióticos e respetivos genes de resistência. Bactérias heterotróficas cultiváveis foram enriquecidas em SML. Eletroforese em gel de gradiente desnaturante (DGGE) permitiu a identificação de filotipos específicos em SML. Além disso, a análise de agrupamento dos perfis de DGGE de ambas as comunidades revelou uma ligeira tendência de agrupamento de acordo com a camada amostrada. As diferenças entre as duas comunidades variaram de acordo com factores espaciais e temporais. Em termos de diversidade filogenética de grupos específicos, não foram identificadas diferenças consistentes entre SML e UW com relação às comunidades de Aeromonas. Com relação ao género Pseudomonas, uma unidade operacional taxonómica cultivável foi consistentemente hiper-representada nas amostras de SML. Metodologias dependentes e independentes do cultivo revelaram a presença de populações de Psychrobacter complexas e muito estáveis em todos os sítios e datas de amostragens, com diferenças significativas entre as comunidades de Psychrobacter presentes em SML e UW. Estirpes representativas de prováveis novas espécies também foram cultivadas. Em termos de resistência aos antibióticos, a prevalência de bactérias resistentes em SML foi alta sugerindo selecção pelas condições presentes em SML. É preciso enfatizar que a resistência aos antibióticos foi incomum entre as bactérias estuarinas e os mecanismos de resistência foram, predominantemente, intrínsecos. Pela combinação de abordagens inovadoras dependentes e independentes do cultivo, este estudo forneceu novas e consistentes informações com relação às diferenças em ambas as comunidades bacterianas e em relação a alguns dos fatores que contribuem para a sua formação.

Resistance to last-resort antibiotics in natural environments

Last-resort antibiotics are the final line of action for treating serious infections caused by multiresistant strains. Over the years the prevalence of resistant bacteria has been increasing. Natural environments are reservoirs of antibiotic resistance, highly influenced by human-driven activities. The importance of aquatic systems on the evolution of antibiotic resistance is highlighted from the assumption that clinically-relevant resistance genes have originated in strains ubiquitous in these environments. We hypothesize that: a) rivers are reservoirs and disseminators of antibiotic resistance; b) anthropogenic activities potentiate dissemination of resistance to last-resort antibiotics. Hence, the main goal of the work is to compare the last-resort antibiotics resistome, in polluted and unpolluted water. Rivers from the Vouga basin, exposed to different anthropogenic impacts, were sampled. Water quality parameters were determined to classify rivers as unpolluted or polluted. Two bacterial collections were established enclosing bacteria resistant to cefotaxime (3rd generation cephalosporin) and to imipenem (carbapenem). Each collection was characterized regarding: phylogenetic diversity, antibiotic susceptibility, resistance mechanisms and mobile genetic elements. The prevalence of cefotaxime- and imipenem-resistant bacteria was higher in polluted water. Results suggested an important role in the dissemination of antibiotic resistance for Enterobacteriaceae, Pseudomonas and Aeromonas. The occurrence of bacteria resistant to non-beta-lactams was higher among isolates from polluted water as also the number of multiresistant strains. Among strains resistant to cefotaxime, extended-spectrum beta-lactamase (ESBL) genes were detected (predominantly blaCTX-M-like) associated to mobile genetic elements previously described in clinical strains. ESBL-producers were often multiresistant as a result of co-selection mechanisms. Culture-independent methods showed clear differences between blaCTX-M-like sequences found in unpolluted water (similar to ancestral genes) and polluted water (sequences identical to those reported in clinical settings). Carbapenem resistance was mostly related to the presence of intrinsically resistant bacteria. Yet, relevant carbapenemase genes were detected as blaOXA-48-like in Shewanella spp. (the putative origin of these genes), and blaVIM-2 in Pseudomonas spp. isolated from polluted rivers. Culture-independent methods showed an higher than the previously reported diversity of blaOXA-48-like genes in rivers. Overall, clear differences between polluted and unpolluted systems were observed, regarding prevalence, phylogenetic diversity and susceptibility profiles of resistant bacteria and occurrence of clinically relevant antibiotic resistance genes, thus validating our hypotheses. In this way, rivers act as disseminators of resistance genes, and anthropogenic activities potentiate horizontal gene transfer and promote the constitution of genetic platforms that combine several resistance determinants, leading to multiresistance phenotypes that may persist even in the absence of antibiotics.

Development of polymeric materials to inhibit bacterial quorum sensing

Bacterial infections are an increasing problem for human health. In fact, an increasing number of infections are caused by bacteria that are resistant to most antibiotics and their combinations. Therefore, the scientific community is currently searching for new solutions to fight bacteria and infectious diseases, without promoting antimicrobial resistance. One of the most promising strategies is the disruption or attenuation of bacterial Quorum Sensing (QS), a refined system that bacteria use to communicate. In a QS event, bacteria produce and release specific small chemicals, signal molecules - autoinducers (AIs) - into the environment. At the same time that bacterial population grows, the concentration of AIs in the bacterial environment increases. When a threshold concentration of AIs is reached, bacterial cells respond to it by altering their gene expression profile. AIs regulate gene expression as a function of cell population density. Phenotypes mediated by QS (QSphenotypes) include virulence factors, toxin production, antibiotic resistance and biofilm formation. In this work, two polymeric materials (linear polymers and molecularly imprinted nanoparticles) were developed and their ability to attenuate QS was evaluated. Both types of polymers should to be able to adsorb bacterial signal molecules, limiting their availability in the extracellular environment, with expected disruption of QS. Linear polymers were composed by one of two monomers (itaconic acid and methacrylic acid), which are known to possess strong interactions with the bacterial signal molecules. Molecularly imprinted polymer nanoparticles (MIP NPs) are particles with recognition capabilities for the analyte of interest. This ability is attained by including the target analyte at the synthesis stage. Vibrio fischeri and Aeromonas hydrophila were used as model species for the study. Both the linear polymers and MIP NPs, tested free in solutions and coated to surfaces, showed ability to disrupt QS by decreasing bioluminescence of V. fischeri and biofilm formation of A. hydrophila. No significant effect on bacterial growth was detected. The cytotoxicity of the two types of polymers to a fibroblast-like cell line (Vero cells) was also tested in order to evaluate their safety. The results showed that both the linear polymers and MIP NPs were not cytotoxic in the testing conditions. In conclusion, the results reported in this thesis, show that the polymers developed are a promising strategy to disrupt QS and reduce bacterial infection and resistance. In addition, due to their low toxicity, solubility and easy integration by surface coating, the polymers have potential for applications in scenarios where bacterial infection is a problem: medicine, pharmaceutical, food industry and in agriculture or aquaculture.

Effect of photodynamic therapy on the virulence factors of Staphylococcus aureus

Staphylococcus aureus are Gram-positive bacteria who integrate the human microbiota. Nevertheless, these bacteria can be pathogenic to the humans. Due to the increasing occurrence of antibiotic-resistant S. aureus new approaches to control this pathogen are necessary. The antimicrobial photodynamic inactivation process (PDI) is based in the combined use of a light source, an oxidizing agent like oxygen and an intermediary agent (a photosensitizer). These three components interact to form cytotoxic reactive oxygen species that irreversibly damage vital constituents of the microbial cells and ultimately lead to cell death. In fact, PDI is being shown to be a promising alternative to the antibiotic approach in the inactivation of pathogenic microorganisms. However, information on effects of photosensitization on particular virulence factors is strikingly scarce. The objective of this work was to evaluate the effect of PDI on virulence factors of S. aureus. For this, as photosensitizer the 5,10,15,20-tetrakis(1-methylpyridinium-4-yl)porphyrin tetra-iodide (Tetra-Py+-Me) and six strains of S. aureus (one reference strain, one strain with 1 enterotoxin, two strains with 3 enterotoxins and two strains resistant to methicillin, MRSA – one with 5 enterotoxins and the other without enterotoxins) were used. The effect of photosensitization on catalase activity, beta hemolysis, lipases, thermonuclease, enterotoxins, coagulase production and resistance to methicillin was assessed. The results indicate that the expression of some virulence factors in the cells subjected to this therapy is affected. Additionally the susceptibility of the strains to PDI did not decrease upon successive treatments.

Chemical characterization and evaluation of biological activity of Cynara cardunculus extractable compounds

The Mediterranean species Cynara cardunculus L. is recognized in the traditional medicine, for their hepatoprotective and choleretic effects. Biomass of C. cardunculus L. var. altilis (DC), or cultivated cardoon, may be explored not only for the production of energy and pulp fibers, but also for the extraction of bioactive compounds. The chemical characterization of extractable components, namely terpenic and phenolic compounds, may valorize the cultivated cardoon plantation, due to their antioxidant, antitumoral and antimicrobial activities. In this study, the chemical composition of lipophilic and phenolic fractions of C. cardunculus L. var. altilis (DC), cultivated in the south of Portugal (Baixo Alentejo region) was characterized in detail, intending the integral valorization of its biomass. The biological activity of cultivated cardoon extracts was evaluated in terms of antioxidant, human tumor cell antiproliferative and antibacterial effects. Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) was used for the chemical analysis of lipophilic compounds. Sixty-five lipophilic compounds were identified, from which 1 sesquiterpene lactone and 4 pentacyclic triterpenes were described, for the first time, as cultivated cardoon components, such as: deacylcynaropicrin, acetates of β- and α-amyrin, lupenyl acetate and ψ-taraxasteryl acetate. Sesquiterpene lactones were the major family of lipophilic components of leaves (≈94.5 g/kg), mostly represented by cynaropicrin (≈87.4 g/kg). Pentacyclic triterpenes were also detected, in considerably high contents, in the remaining parts of cultivated cardoon, especially in the florets (≈27.5 g/kg). Taraxasteryl acetate was the main pentacyclic triterpene (≈8.9 g/kg in florets). High pressure liquid chromatography-mass spectrometry (HPLC-MS) was utilized for the chemical analysis of phenolic compounds. Among the identified 28 phenolic compounds, eriodictyol hexoside was reported for the first time as C. cardunculus L. component, and 6 as cultivated cardoon components, namely 1,4-di-O-caffeoylquinic acid, naringenin 7-O-glucoside, naringenin rutinoside, naringenin, luteolin acetylhexoside and apigenin acetylhexoside. The highest content of the identified phenolic compounds was observed in the florets (≈12.6 g/kg). Stalks outer part contained the highest hydroxycinnamic acids abundance (≈10.3 g/kg), and florets presented the highest flavonoids content (≈10.3 g/kg). The antioxidant activity of phenolic fraction was examined through 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) free radical scavenging assay. Stalks outer part, and receptacles and bracts extracts demonstrated the highest antioxidant effect on DPPH (IC50 of 34.35 μg/mL and 35.25 μg/mL, respectively). (cont.) abstract (cont.) The DPPH scavenging effect was linearly correlated with the total contents of hydroxycinnamic acids (r = -0.990). The in vitro antiproliferative activity of cultivated cardoon lipophilic and phenolic extracts was evaluated on a human tumor cells line of triple-negative breast cancer (MDA-MB-231), one of the most refractory human cancers to conventional therapeutics. After 48 h of exposition, leaves lipophilic extract showed higher inhibitory effect (IC50 = 10.39 μg/mL) than florets lipophilic extract (IC50 = 315.22 μg/mL), upon MDA-MB-231 cellular viability. Pure compound of cynaropicrin, representative of the main compound identified in leaves lipophilic extract, also prevented the cell proliferation of MDA-MB-231 (IC50 = 17.86 μM). MDA-MB-231 cells were much more resistant to the 48 h- treatment with phenolic extracts of stalks outer part (IC50 = 3341.20 μg/mL) and florets (IC50 > 4500 μg/mL), and also with the pure compound of 1,5-di-O-caffeoylquinic acid (IC50 = 1741.69 μM). MDA-MB-231 cells were exposed, for 48 h, to the respective IC50 concentrations of leaves lipophilic extract and pure compound of cynaropicrin, in order to understand their ability in modelling cellular responses, and consequently important potentially signaling pathways for the cellular viability decrease. Leaves lipophilic extract increased the caspase-3 enzymatic activity, contrarily to pure compound of cynaropicrin. Additionally, leaves lipophilic extract and pure compound of cynaropicrin caused G2 cell cycle arrest, possibly by upregulating the p21Waf1/Cip1 and the accumulation of phospho-Tyr15-CDK1 and cyclin B1. The inhibitory effects of leaves lipophilic extract and cynaropicrin pure compound, against the MDA-MB-231 cell proliferation, may also be related to the downregulation of phospho-Ser473-Akt. The antibacterial activity of cultivated cardoon lipophilic and phenolic extracts was assessed, for the first time, on two multidrug-resistant bacteria, such as the Gram-negative Pseudomonas aeruginosa PAO1 and the Gram-positive methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA), two of the main bacteria responsible for health care-associated infections. Accordingly, the minimum inhibitory concentrations (MIC) were determined. Lipophilic and phenolic extracts of florets did not have antibacterial activity on P. aeruginosa PAO1 and MRSA (MIC > 2048 μg/mL). Leaves lipophilic extract did not prevent the P. aeruginosa PAO1 growth, but pure compound of cynaropicrin was slightly active (MIC = 2048 μg/mL). Leaves lipophilic extract and pure compound of cynaropicrin blocked MRSA growth (MIC of 1024 and 256 μg/mL, respectively). The scientific knowledge revealed in this thesis, either by the chemical viewpoint, or by the biological viewpoint, contributes for the valorization of C. cardunculus L. var. altilis (DC) biomass. Cultivated cardoon has potential to be exploited as source of bioactive compounds, in conciliation with other valorization pathways, and Portuguese traditional cheeses manufacturing.

Sources of antibiotic resistance in the environment

The discovery of antibiotics was a major breakthrough in medicine. However, short after their introduction in clinical practice resistant bacteria were detected. Nowadays, antibiotic resistance constitutes a serious public health problem. In hospital settings, with high resistance levels, reducing drastically the therapeutic options. Carbapenems are last-resort antibiotics used in Portugal, only in hospitals, to treat serious infections. Bacterial resistance towards this class of antibiotics has increased during last years. In Gram-negative bacteria the production of carbapenemases is a common resistance mechanism. OXA-48 is a carbapenemase of Ambler class D and represents a major concern for human health. It is frequently detected in clinical isolates of Enterobacteriaceae. There are few studies suggesting that genes encoding for OXA-48 variants originated from genes present in the chromosome of members of genus Shewanella, and have disseminated to Enterobacteriaceae members, associated with mobile genetic elements. The aim of this study was to characterize strains from different sources of Shewanella to confirm its role as OXA-48 progenitor. For this, the phylogenetic affiliation of 33 strains of Shewanella was performed by 16SrDNA and gyrB sequencing. The most common species were S. hafniensis and S. xiamenensis, but also S. aestuarii, S. baltica, S. indica, S. haliotis, S. putrefaciens, S. algidipiscicola, S. irciniae, S. algae and S. fodinae were identified. blaOXA-48-like genes were detected in 21 isolates: S. hafniensis (8/8), S. xiamenensis (5/5), S. baltica (4/4), S. algae (1/1), S. fodinae (1/1), S. putrefaciens (1/2) and S. algidipiscicola (1/2). Sequence analysis revealed that genes encoded enzymes identical to OXA-48, OXA-181 and OXA-204 but also new variants differing from OXA-48 from 2 to 81 aminoacids. Genetic context analysis revealed the C15 gene upstream and lysR gene downstream, identical to what has been identified so far flanking blaOXA-48-like genes in Shewanella spp. The assessment of antibiotic susceptibility was performed for all isolates using the disk diffusion method. In general, it was observed a great sensitivity for all antibiotics except to amoxicillin and aztreonam. Multidrug resistance was detected in only 1 isolate. Other resistance genes and the presence of integrons were not identified. Plasmids were detected in 30.3% isolates (10/ 33). These results reinforce the role of Shewanella spp. as origin of blaOXA-48-like genes.

Persistent luminescence of SrAl2O4:Ce(III), Dy, Eu nanotubes, nanowires and core-shells for people with disabilities: nano-emergency

Este estudo transversal está focado na propriedade de luminescência persistente do aluminato de estrôncio co-dopado com cério (III), disprósio (III) e európio (II), SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+, em sistemas de sinalização de áreas de risco e emergências para pessoas com deficiências. Na área da ciência e engenharia dos materiais, foram desenvolvidos novos materiais com características nanométricas, nanotubos, nanoarames e nanobastões luminescentes de SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+ para aplicações na área da reabilitação e acessibilidade de pessoas com deficiências. Os nanotubos foram obtidos a partir de micro- e nano-partículas precursoras sintetizadas por reacção do estado-sólido e tratamento térmico de recozedura (1273-1473 K). Os nanoarames e nanobastões foram preparados por moagem, sonificação e recozedura (373 K). Novas nanocápsulas de aluminatos luminescentes dopados com cério (III) e encapsulados com TiO2 foram criadas de modo a obter-se materiais multifuncionais, designadamente com acção fotocatalítica antimicrobiana, antibacteriana e resistência à água. Tais aluminatos podem ser amplamente aplicados como superfícies higiénicas, auto-limpantes, em biomateriais, no domínio de medicamentos antibióticos, na formulação de vacinas, e com ênfase à aplicação em cerâmicas fotoluminescentes. As metodologias de obtenção de tais nanoestruturas de aluminato de estrôncio dopado com cério (III) e do seu encapsulamento, desenvolvidas no âmbito desta tese, são aplicáveis a diversos aluminatos dopados com outros iões lantanídeos (Ln consiste em La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Tm ou Lu) com a fórmula M(1-x-y)N2O4:Cex, Lny, onde M é Be, Mg, Ca, Sr ou Ba. Na área da oftalmologia, foi desenvolvido um equipamento médico para o diagnóstico de biofuncionalidade das células retinais fotoreceptoras, e como suporte à telemedicina oftalmológica. Este equipamento foi utilizado para realizar testes de visão cromática FM100HUE em fundo branco/preto para a personalização de materiais luminescentes. Os resultados demonstraram uma biofuncionalidade celular à visibilidade fotópica das cores em fundo preto superior no grupo de tratamento, composto por pessoas com retinopatia diabética (n=38), em comparação ao grupo de referência (n=38). Estes resultados sugerem a recomendação de materiais com fotoluminescência persistente (λem=485-555 nm), incluindo SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+, para o referido grupo de tratamento, em sinalização de emergência e em ambientes de baixa iluminação. Na área da arquitectura, foi proposta uma nova aplicação dos referidos nanomateriais luminescentes à base de SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+ em cerâmica de revestimento, tendo em vista a sua boa visibilidade e uso por pessoas com deficiências. Novos pavimentos, cerâmicos, fotoluminescentes, foram desenhados com propriedades multisensoriais (contraste táctil, sonoro e visual) e antimicrobianas, para pessoas portadoras de deficiências utilizarem, no escuro, com a prioridade de salvar vidas em emergências. Tais pisos, com relevos, podem ser combinados de modo a compor um sistema exclusivo de sinalização fotoluminescente multisensorial que possibilita a rápida evacuação mediante o uso de auxílios de mobilidade (e.g. bengala, cadeira de rodas, andadores, muletas). A solução integrada de tais inovações que potencializa a propriedade de luminescência persistente de SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+ de modo acessível para as pessoas com deficiências, pode contribuir para salvar vidas, no escuro, em emergências.

Compósitos de polímeros naturais e nanopartículas metálicas

Esta tese descreve diversas estratégias de preparação assim como a caracterização de nanocompósitos com base em distintos biopolímeros. Em particular foi estudada a incorporação de nanopartículas (NPs) metálicas, nomeadamente de Ag, Cu e Au. Estes nanomateriais apresentam um potencial prático enorme em diversas áreas, no entanto foi investigada especificamente a sua aplicação como materiais antimicrobianos. No primeiro capítulo apresenta-se uma revisão bibliográfica, onde são realçados os principais tópicos discutidos ao longo da tese. Inicialmente apresenta-se uma contextualização deste trabalho sendo seguidamente apresentadas algumas considerações sobre nanocompósitos e o seu impacto tecnológico atual. Em seguida, descrevem-se as vantagens do uso de NPs como cargas nos materiais compósitos especificamente no caso de bionanocompósitos. Foi focado o uso da celulose como matriz uma vez que foi o composto “base” usado neste trabalho. Fez-se a descrição exaustiva das metodologias existentes na literatura para a preparação dos nanocompósitos celulósicos com diferentes NPs metálicas assim como das respetivas aplicações. Dentro das aplicações, foi dado especial destaque às propriedades antimicrobianas dos materiais preparados seja a nível da sua atividade antibacteriana ou antifúngica. Esta introdução privilegia o trabalho relacionado diretamente com os sistemas descritos nos capítulos subsequentes. No segundo capítulo apresentam-se os resultados obtidos para nanocompósitos de prata em matriz celulósica. Através do uso de metodologias, tais como a síntese in situ e a pós-deposição, foram preparados diversos materiais usando dois substratos celulósicos distintos nomeadamente a celulose vegetal e bacteriana. Estes nanocompósitos foram caracterizados em termos da sua morfologia e composição química, verificando-se a importância destas características na sua atividade antibacteriana. Foi verificado que nanocompósitos com teores de Ag de 5 x 10-4 (% m/m) são suficientes para obter atividade antibacteriana. A libertação de Ag(I) foi estudada em alguns destes materiais de modo a tentar perceber o mecanismo subjacente a este tipo de nanocompósitos. No terceiro capítulo é apresentado o estudo de NPs coloidais de Ag e Au como cargas para a preparação de nanocompósitos à base de quitosano nãomodificado e modificado quimicamente (derivado solúvel em água e derivado anfifílico). Foram preparados filmes finos de espessura de 9-14 μm, caracterizando-se as suas propriedades óticas e antibacterianas. As propriedades óticas foram ajustadas, quer pela variação do teor de NPs de Ag (0,3-3,9% m/m) ou pela utilização de amostras de NPs com distribuição de tamanho de partícula distinta. Foi investigada a atividade antibacteriana tanto para bactérias Gram-negativas (Klebsiella pneumoniae e Escherichia coli) como para Gram-positivas (Staphylococcus aureus). Para nanocompósitos preparados com o quitosano não modificado verificou-se uma dependência em função do teor de Ag. No caso do uso de derivados modificados, os materiais preparados mostraram uma eficiência superior, mesmo sem NPs de Ag. No quarto capítulo é apresentada a síntese e caracterização de nanocompósitos de pululano e NPs de Ag. Neste estudo é avaliada a atividade antifúngica dos filmes compósitos preparados contra o Aspergillus niger usando protocolos padrão. Estes materiais foram preparados na forma de filmes (66-74 μm de espessura) por evaporação de solvente da mistura de pululano e coloides de Ag. Foi observado o aumento da inibição do fungo na presença dos nanocompósitos, tendo sido pela primeira vez mostrado o efeito disruptivo destes materiais sobre os esporos do A. niger através da análise das imagens de SEM. Este efeito ocorre na presença dos filmes devido à presença das cargas de NPs de Ag dispersas no pululano. O desenvolvimento de materiais de papel com NPs de Cu é um desafio devido à propensão destas espécies em oxidar sob condições ambiente. No quinto capítulo é descrita pela primeira vez o estudo comparativo do crescimento e estabilidade de NPs de Cu em celulose vegetal e bacteriana. Para além disso foi avaliado o uso de nanoestruturas com diferentes dimensionalidades como cargas, nomeadamente nanoesferas e nanofios. Foi observado que o uso de nanofios aumenta a resistência à oxidação destes nanocompósitos para tempos de exposição ao ar mais prolongados. As matrizes celulósicas apresentam comportamento distinto no crescimento e/ou adsorção das NPs de Cu. A celulose bacteriana foi o substrato mais eficiente para retardar a oxidação das NPs. A atividade antibacteriana destes nanocompósitos foi avaliada. Ao longo desta dissertação são apresentados métodos distintos para a obtenção de nanocompósitos com base em biopolímeros e NPs metálicas. Estes estudos permitiram não só a preparação de novos nanocompósitos mas também compreender e otimizar os mecanismos subjacentes à sua preparação. Ao mesmo tempo, este trabalho contribuiu para a transferência de tecnologia e conhecimento entre a área da Nanotecnologia e a área dos materiais derivados de fontes renováveis. As propriedades apresentadas por estes nanomateriais mostraram a sua possível aplicação como novos materiais antimicrobianos, no entanto é possível antecipar futuras aplicações em outras áreas tecnológicas.