Antimicrobial effect of polymeric biomaterials for bone infection treatment

Dissertação de mestrado em Bioquímica, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa, 2016.

Bone infection, mainly caused by Staphylococcus aureus, is a public health concern. Treatment is challenging due to multi-resistant strains, and S. aureus ability to adhere and form biofilm on bone and implant surfaces, as well as to invade and persist in osteoblast cells. The present work consisted in the preparation and evaluation of novel acrylic polymeric systems that provide local and controlled antibiotic delivery for the treatment of bone infection, namely levofloxacin-loaded acrylic bone cement (BC), and vancomycin or daptomycin-loaded acrylic microparticles (MP). Properties of both delivery systems with high impact on clinical performance were tested. Namely, contact angle and surface energy were determined in BC matrices and encapsulation efficiency in MP formulations. Release studies of levofloxacin-loaded BC matrices were also conducted. Also, the anti-biofilm activity of these systems was evaluated against S. aureus strains. Furthermore, BC and MP formulations were tested concerning the antibacterial intracellular activity using a human osteoblast infection model. Overall, both BC formulations’ surface characteristics and MP encapsulation efficiency were in agreement with previously published data. The release studies of levofloxacin from BC matrices showed that the drug release is size- and incubation medium-dependent. All BC matrices loaded with levofloxacin concentrations of 1.5 % or higher exhibited anti-biofilm activity against all S. aureus tested strains. For BC matrices and Vancomycin-loaded MP, a decrease of viable intracellular bacteria was observed. For Daptomycin-loaded MP, no viable intracellular bacteria were detected. In conclusion, this work has shown that the BC formulations with drug concentration of 1.5 % or 2.5 % and daptomycin-loaded MP show potential to be used in the context of bone infection treatment.

A infeção óssea, causada principalmente por Staphylococcus aureus, é um grave problema de saúde pública. O seu tratamento é difícil devido a estirpes multi-resistentes, à sua habilidade de aderir e formar biofilmes em osso e implantes, bem como à sua capacidade de invadir e persistir em osteoblastos. Este trabalho consiste na preparação e avaliação de novos sistemas poliméricos acrílicos, que promovem a libertação local e controlada de antibióticos para o tratamento de infeções ósseas, nomeadamente cimento ósseo (BC) carregado com levofloxacina, bem como vancomicina ou daptomicina encapsulada em micropartículas (MP). Foram testadas propriedades com elevado impacto no desempenho clínico de ambos os sistemas, nomeadamente ângulos de contacto e energia de superfície das matrizes de BC, assim como a eficiência de encapsulação das formulações de MP. Foram também realizados estudos in vitro de libertação de levofloxacina das matrizes de BC e da sua atividade anti-biofilme contra estirpes de S. aureus. Usando um modelo de infeção de osteoblastos humanos, ambos os sistemas foram avaliados quanto à sua atividade antibacteriana intracelular. Tanto as características de superfície das matrizes de BC como a eficiência de encapsulação de MP estão em concordância com estudos realizados anteriormente. Os estudos de libertação de levofloxacina a partir de diferentes formulações de BC revelaram que esta é dependente do tamanho das placas e do meio de incubação. As formulações de BC com concentração de fármaco igual a 1.5 e 2.5 % demonstraram atividade anti-biofilme. Todas as formulações testadas reduziram o número de bactérias intracelulares viáveis, sendo mais eficazes as MP com daptomicina. Este trabalho conclui que as formulações de BC com concentração de fármaco igual a 1.5 e 2.5 % e as MP carregadas com daptomicina demonstram potencial para utilização no tratamento de infeções ósseas.

Acknowledgement to the Portuguese government (Fundação para a Ciência e Tecnologia) for the financial support of this work: research project iMed.ULisboa (UID/DTP/04138/2013).