Development and biological evaluation of API-ILs based on anti-bacterial and anti-fungal drugs

In recent years Ionic Liquids (ILs) are being applied in life sciences. ILs are being produce with active pharmaceutical drugs (API) as they can reduce polymorphism and drug solubility problems [1] Also ILs are being applied as a drug delivery device in innovative therapies What is appealing in ILs is the ILs building up platform, the counter-ion can be carefully chosen in order to avoid undesirable side effects or to give innovative therapies in which two active ions are paired. This work shows ILs based on ampicillin (an anti-bacterial agent) and ILs based on Amphotericin B. Also we show studies that indicate that ILs based on Ampicillin could reverse resistance in some bacteria. The ILs produced in this work were synthetized by the neutralization method described in Ferraz et. al. [2] Ampicillin anion was combined with the following organic cations 1-ethyl-3-methylimidazolium, [EMIM]; 1-hydroxy-ethyl-3-methylimidazolium, [C2OHMIM]; choline, [cholin]; tetraethylammonium, [TEA]; cetylpyridinium, [C16pyr] and trihexyltetradecylphosphonium, [P6,6,6,14]. Amphotericin B was combined with [C16pyr], [cholin] and 1-metohyethyl-3-methylimidazolium, [C3OMIM]. The ILs-APIs based on ampicillin[2] were tested against sensitive Gram-negative bacteria Escherichia coli ATCC 25922 and Klebsiella pneumonia (clinical isolated), as well as on Gram positive Staphylococcus Aureus ATCC 25923, Staphylococcus epidermidis and Enterococcus faecalis. The arising resistance developed by bacteria to antibiotics is a serious public health threat and needs new and urgent measures. We study the bacterial activity of these compounds against a panel of resistant bacteria (clinical isolated strains): E. coli CTX M9, E. coli TEM CTX M9, E. coli TEM1, E. coli CTX M2, E. coli AmpC Mox2. In this work we demonstrate that is possible to produce ILs from anti-bacterial and anti-fungal compounds. We show here that the new ILs can reverse the bacteria resistance. With the careful choice of the organic cation, it is possible to create important biological and physic-chemical properties. This work also shows that the ion-pair is fundamental in ampicillin mechanism of action.

Caracterização molecular da resistência a antimicrobianos em Escherichia coli produtoras de β-lactamases de espectro alargado isoladas em cães e estudo da partilha de clones bacterianos entre animais de companhia e coabitantes humanos

A pressão seletiva originada pelo uso excessivo de antimicrobianos na medicina humana e veterinária tem contribuído para a emergência de estirpes bacterianas multirresistentes, sendo os estudos mais escassos relativamente à sua presença nos animais de companhia. Porque os animais e os seus proprietários partilham o mesmo espaço habitacional, apresentando comportamentos de contacto próximo, existe uma hipótese elevada de transferência microbiana inter-espécie. Ante esta possibilidade é importante escrutinar o papel dos animais de companhia enquanto reservatórios de estirpes e de genes de resistência, bem como a sua envolvência na disseminação de estirpes bacterianas multirresistentes. Importa também, investigar o papel das superfícies e objetos domésticos partilhados por ambos, como potenciadores deste fenómeno. O objetivo deste trabalho foi, identificar o filogrupo e fazer a caracterização molecular dos genes que conferem resistência aos β-lactâmicos e às quinolonas, em quarenta isolados de Escherichia coli produtoras de β-lactamases de espectro alargado (ESBL), obtidas em zaragatoas fecais de cães consultados no Hospital Veterinário do ICBAS-UP. Complementarmente pretendeu-se inferir sobre a partilha de clones de Escherichia coli e Enterococcus spp. com elevadas resistências, em cinco agregados familiares (humanos e seus animais de companhia) assim como avaliar a potencial disseminação de estirpes multirresistentes no ambiente doméstico. Previamente foram recolhidas zaragatoas de fezes, pelo e mucosa oral dos animais e em alguns casos, dos seus proprietários, e ainda do ambiente doméstico. As zaragatoas foram processadas e as estirpes isoladas com base em meios seletivos. Foram realizados testes de suscetibilidade antimicrobiana de modo a estabelecer o fenótipo de resistência de cada isolado. O DNA foi extraído por varias metodologias e técnicas de PCR foram utilizadas para caracterização de filogrupos (Escherichia coli) e identificação da espécie (Enterococcus spp.). A avaliação da proximidade filogenética entre isolados foi efetuada por ERIC PCR e PFGE. No conjunto de quarenta isolados produtores de ESBL e/ou resistentes a quinolonas verificou-se que 47,5% pertenciam ao filogrupo A, havendo uma menor prevalência do filogrupo D (25,0%), B1 (17,5%), e B2 (10,0%).A frequência de resistência nestes isolados é factualmente elevada, sendo reveladora de uma elevada pressão seletiva. Com exceção de dois isolados, os fenótipos foram justificados pela presença de β-lactamases. A frequência da presença de genes foi: 47% blaTEM, 34% blaSHV, 24% blaOXA , 18% blaCTX-M-15, 8% blaCTX-M-2, 3% blaCTX-M-9. Nos isolados resistentes às quinolonas verificou-se maioritariamente a presença de mutações nos genes cromossomais gyrA e parC, e em alguns casos a presença de um determinante de resistência mediado por plasmídeo – qnrS. Nos cinco “agregados familiares” (humanos e animais) estudados foi observada uma partilha frequente de clones de E. coli e Enterococcus faecalis com múltiplas resistências, isolados em fezes e mucosa oral de cães e gatos e fezes e mãos dos respetivos proprietários, evidenciando-se assim uma possível transferência direta entre coabitantes (agregados A, C, D, E). Ficou também comprovado com percentagens de similaridade genotípica superiores a 94% que essa disseminação também ocorre para o ambiente doméstico, envolvendo objetos dos animais e de uso comum (agregados A, E). Os resultados obtidos reforçam a necessidade de um uso prudente dos antimicrobianos, pois elevados padrões de resistências terão um impacto não só na qualidade de vida dos animais mas também na saúde humana. Adicionalmente importa sensibilizar os proprietários para a necessidade de uma maior vigilância relativamente às formas de interação com os animais, bem como para a adoção de medidas higiénicas cautelares após essa mesma interação.

Antibacterial activity of Ionic Liquids based on ampicillin against resistant bacteria

Antibacterial activity of novel Active Pharmaceutical Ingredient Ionic Liquids (API-ILs) based on ampicillin anion [Amp] have been evaluated. They showed growth inhibition and bactericidal properties on some sensitive bacteria and especially some Gram-negative resistant bacteria when compared to the [Na][Amp] and the initial bromide and chloride salts. For these studies were analysed the minimum inhibitory concentration (MIC) and minimum bactericidal concentration (MBIC) against sensitive Gram-negative bacteria Escherichia coli ATCC 25922 and Klebsiella pneumonia (clinically isolated), as well as sensitive Gram positive S. Aureus ATCC 25923, Staphylococcus epidermidis and Enterococcus faecalis and completed using clinically isolated resistent strains: E. coli TEM CTX M9, E. coli CTX M2 and E. coli AmpC Mox. From the obtained MIC values of studied APIs-ILs and standard [Na][Amp] were derived RDIC values (relative decrease of inhibitory concentration). High RDIC values of [C16Pyr][Amp] especially against two resistant Gram-negative strains E. coli TEM CTX M9 (RDIC>1000) and E. coli CTX M2 (RDIC>100) point clearly to a potential promising role of APIs-ILs as antimicrobial drugs especially against resistant bacterial strains.

Modulação do estado redox em bactérias por quinoxalinas

As quinoxalinas são compostos heterocíclicos que têm, entre outras, capacidades antimicrobianas, inclusivamente contra bactérias resistentes aos antimicrobianos convencionais. Os mecanismos pelos quais estes compostos exercem a sua atividade ainda não está completamente esclarecido. O objetivo do presente estudo é avaliar o efeito redox em sinergismo/antagonismo com as quinoxalinas em modelos de bactérias com e sem resistências a antimicrobianos. No que se refere aos compostos foram utilizados a quinoxalina 1,4-dióxido (QNX), 2-metil-3-benzilquinoxalina-1,4-dióxido (2M3BQNX), 2-metilquinoxalina-1,4-dióxido (2MQNX) e a 2-amino-3-cianoquinoxalina-1,4-dióxido (2A3CQNX). Quanto aos modelos procariotas, foram utilizados a Salmonella enterica, Klebsiella pneumoniae, Enterococcus faecalis, Staphylococcus saprophyticus, Enterobacter aerogenes, Enterobacter cloacae, Staphylococcus aureus ATCC 25923, Methicillin-resistant Staphylococcus aureus ATCC 43300, Escherichia coli TEM 201 e Escherichia coli TEM 180. Nos compostos químicos em que se verificou a Concentração Mínima Inibitória (CMI), realizou-se o estudo do comportamento do crescimento bacteriano. Relativamente ao estado redox, foi avaliado para cada estirpe sensível, através do rácio GSH/GSSG, nas doses inibitórias e não inibitórias de cada composto. Os resultados apresentam que todos os compostos testados, à exceção do 2M3BQNX, têm atividade antimicrobiana na maioria das estirpes, excetuando a E. faecalis e a S. saprophyticus. Os rácios GSH/GSSG apontam para o efeito oxidante em K. pneumoniae e S. enterica e antioxidante na E. aerogenes. A conclusão do estudo sugere que os compostos apresentam elevada capacidade antibacteriana e influência no equilíbrio redox das bactérias, podendo contribuir para o esclarecimento do mecanismo de ação dos derivados das quinoxalinas 1-4 dióxido, nas bactérias.

Diversity and characterisation of coagulasenegative staphylococci isolated from healthy individuals in Portugal

In the past few years the interest in coagulase-negative staphylococci (CoNS) has significantly increased in human medicine. CoNS are common commensal colonisers of the human skin, although now also recognised as major nosocomial pathogens. Over the last decades, several studies have been carried out in order to understand the pathogenicity mechanisms of CoNS. The well known determinants in the pathogenesis of CoNS infections are their ability to form biofilms and an exceptional resistance to several antibiotics. Nevertheless, there is a lack of studies regarding the commensal lifestyle of these microorganisms. Additionally, it is now hypothesised that commensal bacteria might be a reservoir of pathogenic determinants. Therefore, the work described throughout this thesis was aimed to perform a phenotypic and genotypic characterisation of different CoNS species isolated from healthy Portuguese individuals. A total of 61 CoNS isolates, comprising 7 different species, were obtained and characterised at the level of biofilm formation and antibiotic susceptibility profiles. According to the results, biofilm formation ability and presence of biofilm-associated genes were commonly found features, highlighting their pivotal role in the colonising lifestyle of CoNS. This study also addressed the correlation between phenotypic and genotypic characteristics of biofilm formation, corroborating and raising questions about the importance of some genes in this process. Moreover, it was observed a great proportion of isolates with decreased susceptibility and multiple resistances to some important antibiotics. A significant association between antibiotic resistance and biofilm formation was also demonstrated, and some hypotheses about the nature of such association were provided. Lastly, the expression patterns of two biofilm-associated genes at two distinct biofilm developmental stages were determined, confirming their importance in the accumulative stage of biofilm formation. Overall, the results presented in this thesis indicate that staphylococcal skin flora might be an important reservoir of potentially pathogenic bacteria and, simultaneously, bring to light new perceptions about the molecular basis of staphylococcal biofilm formation, and the nature of the association between antibiotic resistance and biofilm formation.

Avaliação do efeito de um probiótico na performance zootécnica e microbiota entérica em coelhos (Oryctolagus cuniculus) de produção

A cunicultura é uma atividade pecuária em crescente desenvolvimento e isso traduz-se em novos desafios. Durante muitos anos a criação de coelhos recorreu em demasia ao uso de antimicrobianos com o objetivo de tratar e prevenir o aparecimento de diversas doenças. Paralelamente, estes compostos foram também usados como “promotores de crescimento”, visando essencialmente uma melhoria da eficiência digestiva. Porém, o uso indiscriminado destas substâncias levantou questões de saúde pública, como a emergência de estirpes bacterianas multirresistentes e a inerente disseminação de genes de resistência, possivelmente transferíveis ao Homem através da cadeia alimentar. No presente, existe uma enorme pressão para a adoção de estratégias que possibilitem uma redução massiva na quantidade de antimicrobianos administrados a espécies pecuárias. Este trabalho visou contribuir para o estudo de uma alternativa ao uso de antimicrobianos - os probióticos – enquanto suplementos alimentares constituídos por microrganismos vivos capazes de equilibrar a microbiota intestinal do hospedeiro. Para tal, foram constituídos dois grupos de coelhos com base na alimentação: i) grupo antibiótico, com acesso a um alimento composto suplementado com antibióticos e ii) o grupo probiótico alimentado com a mesma dieta, mas sem antibióticos e inoculado com um probiótico constituído por Escherichia coli e Enterococcus spp.. Ao longo de 22 dias de estudo foram monitorizados alguns indicadores produtivos e efetuadas recolhas periódicas de fezes para estudo microbiológico. A análise dos resultados zootécnicos permitiram verificar que o uso de probióticos em detrimento de antibióticos parece promover o crescimento de coelhos, tornando-se um método mais rentável na produção cunícula. Através de genotipagem por ERIC-PCR e PFGE, pretendeu-se verificar se as estirpes estranhas ao trato gastrointestinal dos coelhos seriam capazes de coloniza-lo, permanecendo ao longo do tempo de estudo. O facto de as estirpes inoculadas no probiótico terem sido encontradas ao longo dos dias de estudo nos coelhos aos quais foram administradas, sugere que os efeitos observados na performance zootécnica estejam relacionados com as estirpes administradas no probiótico, pelo que este poderá ser um sistema viável na substituição de antibióticos na alimentação de coelhos de produção.

Candida glabrata susceptibility to antifungals and phagocytosis is modulated by acetate

Candida glabrata is considered a major opportunistic fungal pathogen of humans. The capacity of this yeast species to cause infections is dependent on the ability to grow within the human host environment and to assimilate the carbon sources available. Previous studies have suggested that C. albicans can encounter glucose-poor microenvironments during infection and that the ability to use alternative non-fermentable carbon sources, such as carboxylic acids, contributes to the virulence of this fungus. Transcriptional studies on C. glabrata cells identified a similar response, upon nutrient deprivation. In this work, we aimed at analyzing biofilm formation, antifungal drug resistance, and phagocytosis of C. glabrata cells grown in the presence of acetic acid as an alternative carbon source. C. glabrata planktonic cells grown in media containing acetic acid were more susceptible to fluconazole and were better phagocytosed and killed by macrophages than when compared to media lacking acetic acid. Growth in acetic acid also affected the ability of C. glabrata to form biofilms. The genes ADY2a, ADY2b, FPS1, FPS2, and ATO3, encoding putative carboxylate transporters, were upregulated in C. glabrata planktonic and biofilm cells in the presence of acetic acid. Phagocytosis assays with fps1 and ady2a mutant strains suggested a potential role of FPS1 and ADY2a in the phagocytosis process. These results highlight how acidic pH niches, associated with the presence of acetic acid, can impact in the treatment of C. glabrata infections, in particular in vaginal candidiasis.