Novel insights into the action of antimicrobial agents against human pathogens

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biochemistry

Estudo da biodiversidade em actinobactérias marinhas, provenientes de sedimentos oceânicos colhidos no Arquipélago da Madeira

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

Green synthesis of 2-Oxazoline-based polymers with antimicrobial activity using scCO2

Using a green methodology, 17 different poly(2-oxazolines) were synthesized starting from four different oxazoline monomers. The polymerization reactions were conducted in supercritical carbon dioxide under a cationic ring-opening polymerization (CROP) mechanism using boron trifluoride diethyl etherate as the catalyst. The obtained living polymers were then end-capped with different types of amines, in order to confer them antimicrobial activity. For comparison, four polyoxazolines were end-capped with water, and by their hydrolysis the linear poly(ethyleneimine) (LPEI) was also produced. After functionalization the obtained polymers were isolated, purified and characterized by standard techniques (FT-IR, NMR, MALDI-TOF and GPC). The synthesized poly(2-oxazolines) revealed an unusual intrinsic blue photoluminescence. High concentration of carbonyl groups in the polymer backbone is appointed as a key structural factor for the presence of fluorescence and enlarges polyoxazolines’ potential applications. Microbiological assays were also performed in order to evaluate their antimicrobial profile against gram-positive Staphylococcus aureus NCTC8325-4 and gram-negative Escherichia coli AB1157 strains, two well known and difficult to control pathogens. The minimum inhibitory concentrations (MIC)s and killing rates of three synthesized polymers against both strains were determined. The end-capping with N,N-dimethyldodecylamine of living poly(2- methyl-2-oxazoline) and poly(bisoxazoline) led to materials with higher MIC values but fast killing rates (less than 5 minutes to achieve 100% killing for both bacterial species) than LPEI, a polymer which had a lower MIC value, but took a longer time to kill both E.coli and S.aureus cells. LPEI achieved 100% killing after 45 minutes in contact with E. coli and after 4 hours in contact with S.aureus. Such huge differences in the biocidal behavior of the different polymers can possibly underlie different mechanisms of action. In the future, studies to elucidate the obtained data will be performed to better understand the killing mechanisms of the polymers through the use of microbial cell biology techniques.

Funcionalização de fibras de celulose em papel com nanopartículas: aplicação como bactericida

As doenças infecciosas emergentes e o desenvolvimento de resistência aos antibióticos, por parte das bactérias patogénicas e fungos, a um ritmo alarmante são uma questão de extrema preocupação. Apesar do aumento do conhecimento da patogénese microbiana e aplicação de terapias modernas, a taxa de mortalidade associada a infecções microbianas ainda permanece alta. Muitas destas infecções têm origem nos alimentos e água que ingerimos. Torna-se, portanto, urgente procurar novas estratégias e encontrar novos agentes antimicrobianos, a partir de substâncias naturais e inorgânicas para desenvolver novos fármacos ou agentes para controlar as infecções microbianas. É aqui, que a nanotecnologia entra em acção com o conceito de embalagem activa. Esta beneficia do uso de nanopartículas para aumentar a segurança e a qualidade de um produto pois estas possuem actividade antimicrobiana. A maioria das embalagens é feita de papel, que possui óptimas propriedades e características (baixo custo, porosidade e biodegrabilidade), tornando-se um substrato cobiçado em diversas áreas de investigação. Neste trabalho, uniu-se as vantagens do papel com as propriedades antimicrobianas das nanopartículas. Assim, impregnaram-se diferentes substratos de papel com nanopartículas, com o objectivo de testar qual o que apresenta maior actividade antibacteriana. Para tal utilizou-se o cartão, o saco de refeições de take-away, papel de mesa e papel de talheres, os quais foram impregnados com nanopartículas de prata, cobre, óxido de zinco e óxido de tungsténio, com concentrações variadas. Estas nanopartículas foram testadas em cinco bactérias diferentes: Staphylococcus aureus (ATCC6538), Staphylococcus aureus resistente à meticilina (MRSA) (RN4220) e Enterococcus faecalis (ATCC29212), Escherichia coli (ATCC8739) e Pseudomonas aeruginosa (ATCC9027) e numa levedura Candida albicans (ATCC10231). Dos testes anti-bacterianos realizados, concluiu-se que os melhores resultados foram obtidos para o cartão com AgNPs. Utilizando o cartão como substrato e as nanopartículas de prata como agente anti-bacteriano, estudou-se a influência da concentração de AgNPs (2, 10, 25 e 50mM). A concentração de 50mM revelou-se mais eficaz, em especial para a bactéria Pseudomonas aeruginosa (ATCC9027).

Microbiologia preditiva aplicada à análise de amostras de carne de vaca e porco

A microbiologia preditiva é a conjugação de conhecimentos provenientes de disciplinas como a matemática, estatística e os sistemas de informação e tecnologia que pretende providenciar modelos preditivos que prevejam o comportamento microbiano em ambientes alimentares, de forma a poder prevenir a deterioração dos géneros alimentares bem como as doenças de origem alimentar. Os modelos preditivos primários, secundários e terciários são aplicados no intuito de melhorar a qualidade e segurança alimentar e particularmente os terciários, podem ser utilizados como ferramentas auxiliadoras na área de HACCP; é necessário ter em conta que estes modelos são uma representação muito simplificada da realidade, que possuem limitações devido á complexidade do comportamento microbiano e dos ambientes alimentares, podendo por isto estimar previsões que se desviem das situações reais. O presente trabalho tem como principal objectivo averiguar a aplicabilidade da microbiologia preditiva, particularmente, dos modelos terciários ou softwares preditivos, na análise de amostras de carne de vaca e porco armazenadas a 5ºC e 10ºC, comparando os resultados obtidos através da análise microbiológica clássica, realizada no laboratório de microbiologia da empresa SGS, com os resultados obtidos das previsões provenientes de dois softwares preditivos, nomeadamente, ComBase Predictor e PMP (Pathogen Modeling Program). Para tal, foram realizadas análises microbiológicas, por forma a realizar contagens de E.coli, S.aureus, L.monocytogenes e pesquisa de Salmonella e análises químicas para analisar o pH, aw e NaCl de 20 amostras de carne de vaca e 20 amostras de carne de porco Adicionalmente foram efetuadas contagens de microrganismos totais a 30ºC. Os resultados demonstraram que a ferramenta preditiva ComBase conseguiu efectuar melhores previsões para o crescimento de E. coli, S. aureus e L. monocytogenes em amostras de carne de vaca e de porco do que a ferramenta preditiva PMP. Contudo, mesmo sendo melhor, as previsões efectuadas pelo programa apresentaram desvios em relação às contagens reais que muito provavelmente se relacionam com a existência da flora de decomposição. Os resultados estimados pela ferramenta PMP foram sempre muito mais elevados do que os resultados obtidos na análise microbiológica laboratorial, o que demonstrou a sua não aplicabilidade a este tipo de amostras.

Caracterização de propriedades nutricionais e antioxidantes de chás do Arquipélago dos Açores e valorização dos seus resíduos

Neste trabalho estudou-se a composição e actividade antioxidante de chás verdes e pretos (8 provenientes dos Açores, e 11 de outras origens), 4 chás vermelhos e 6 tisanas de ervas. A composição mineral das folhas de chá e das correspondentes infusões de 5 e 15 minutos foi avaliada no que se refere aos macroelementos (K, Ca, Mg e Na) com valor nutricional e ao alumínio (Al), tendo-se verificado que as suas concentrações dependem do tipo de chá e do tempo de infusão. A actividade antioxidante dos chás e tisanas foi avaliada pela reacção de Folin Ciocalteu, a actividade antiradicalar (DPPH) e actividade redutora férrica (FRAP). Estas actividades aumentaram ou diminuiram com o tempo de infusão e dependendo do tipo de chá e do teste específico o que indica diferentes cinéticas de extracção e degradação de compostos específicos. Os compostos fenólicos dos chás foram quantificados por HPLC-DAD e agrupados nas famílias de catequinas, metilxantinas, ácidos hidroxibenzóicos e hidroxicinâmicos, teoflavinas, flavonas, flavonóis, e seus derivados glicosilados e/ou acilados. A cinética de extracção destes compostos foi avaliada em dois chás dos Açores para tempos de infusão entre 5 min e 60 min. Testaram-se diferenças significativas na composição dos chás e correlações entre composição e actividade antioxidante. A valorização de resíduos dos chás Gorreana como matérias-primas para a produção de suplementos nutracêuticos foi estudada efectuando a extracção de dois chás dos Açores e de dois resíduos de chá utilizando água, etanol acetona e suas misturas. Os resultados mostraram que a polaridade do solvente afectou significativamente o teor de polifenóis, actividade antioxidante e actividade antimicrobiana dos extractos. Os extractos de chá verde inibiram o crescimento de bactérias gram-positivas (Staphylococcus aureus e Staphylococcus aureus resistentes à meticilina), e observou-se uma correlacção forte entre teor de polifenóis e as actividades antioxidante e antimicrobiana de extractos de chá.

Avaliação do potencial anti-inflamatório, antioxidante e antimicrobiano de extratos de segurelha, salsa e coentros

Recentemente tem-se observado um crescente interesse pelo uso de plantas aromáticas, devido às inúmeras propriedades benéficas que lhes têm sido associadas, e a sua aplicação em diversas indústrias, como a indústria alimentar e farmacêutica. Este estudo incidiu sob três ervas aromáticas utilizadas comummente em Portugal: coentros, salsa e segurelha. O objetivo do mesmo foi contribuir para um melhor conhecimento das propriedades bioativas das plantas estudadas, através da determinação do seu teor em compostos fenólicos totais e em flavonoides, e avaliação das suas atividades antioxidante, antimicrobiana e anti-inflamatória. A atividade antioxidante foi determinada através de diferentes tipos de ensaios, nomeadamente avaliação da capacidade redutora, com os ensaios FRAP e CUPRAC, avaliação da capacidade de sequestro do radical DPPH• e avaliação da capacidade de sequestro do radical anião superóxido. A atividade antimicrobiana foi determinada utilizando três estirpes microbianas, Staphylococcus aureus, Escherichia coli e Candida albicans. Por sua vez, a ação anti-inflamatória foi determinada através de ensaios in-vivo apenas para a segurelha, utilizando dois modelos, um para a inflamação aguda (modelo de edema da pata induzido pela carragenina) e outro para a inflamação crónica (modelo da colite ulcerativa). Os resultados demonstraram que todos os extratos de plantas aromáticas possuem atividade antioxidante, sendo que o extrato de segurelha foi aquele que apresentou um maior teor de compostos fenólicos e flavonoides, bem como o que demonstrou possuir uma maior atividade antioxidante relativamente aos restantes extratos estudados, o que sugere o envolvimento destes compostos neste tipo de atividade antioxidante. Entre o extrato de coentros e salsa, o extracto de coentros apresentou um teor em compostos fenólicos e uma actividade antioxidante significativamente superior relativamente ao extracto de salsa. O extrato de segurelha foi o único que apresentou ação antimicrobiana, o que poderá indicar que os compostos fenólicos se encontram também interligados com esta propriedade. A atividade anti-inflamatória foi determinada apenas para o extrato de segurelha, sendo que se observou que este possui efeitos benéficos para a inflamação aguda e crónica, o que poderá estar novamente relacionado com o seu teor em fenóis e flavonoides. O efeito anti-inflamatório observado com o extrato de segurelha no modelo de colite pode ser muito útil do ponto de vista de profilaxia pois o extrato foi administrado aos animais logo a seguir à indução da colite e os resultados demonstram haver uma diminuição significativa da extensão e violência dos sinais da inflamação crónica observados no grupo controlo positivo.

Novel antibiotic-loaded orthopaedic bone cements: insights on drug release profiles and biocompatibility

Acrylic bone cement (BC) is widely used as an anchor of artificial joints. Bacterial infection due to biofilm formation and inflammation are common and difficult to treat problems associated with commercial available BC formulations. Research on novel BC compositions is urgently needed. The main objective of this thesis was to develop a new biocompatible antibiotic-loaded BC with improved release profile. To achieve that aim several additives were incorporated, as an antibiotic (levofloxacin) to combat bacterial growth, an anti-inflammatory drug (diclofenac) to decrease the inflammatory process and two well-known and broadly used biopolymers, alginate and chitosan in order to increase matrix porosity, and in this way to intensify the amount of released drug. Novel BC formulations were tested in order to find the most suitable one that had potential to proceed to clinical application. Numerous tests were conducted as: a) evaluation of drug release profiles in different biomimetic media, b) mechanical and surface studies, c) microbiological activity testing against Staphylococcus aureus and d) in vitro biocompatibility assays (fibroblasts and osteoblasts). In general, the addition of biopolymers increased drug release, didn’t compromised BC mechanical properties and increased BC hydrophilicity. Microbiological testing revealed that Lev[BC]Chi was the only matrix that reduced significantly biofilm formation. On the contrary, alginate and diclofenac loading into BC seemed to increase biofilm growth. Biocompatibility studies showed some decrease in cell viability, in particularly on osteoblasts, mainly due to the high amounts of released drugs. In conclusion, the present work has shown that the matrix with more potential to proceed in further investigations was Lev[BC]Chi. Other conditions (namely additives and drugs concentrations) should be evaluated with the other tested BC matrices before being discharged.

Gold nanoprobes for assessing expression of critical genes in the infection pathway of MRSA

Staphylococcus aureus is an important opportunistic pathogen that can cause a wide variety of diseases from mild to life-threatening conditions. S. aureus can colonize many parts of the human body but the anterior nares are the primary ecological niche. Its clinical importance is due to its ability to resist almost all classes of antibiotics available together with its large number of virulence factores. MRSA (Methicillin-Resistant S. aureus) strains are particularly important in the hospital settings, being the major cause of nosocomial infections worldwide. MRSA resistance to β-lactam antibiotics involves the acquisition of the exogenous mecA gene, part of the SCCmec cassette. Fast and reliable diagnostic techniques are needed to reduce the mortality and morbidity associated with MRSA infections, through the early identification of MRSA strains. The current identification techniques are time-consuming as they usually involves culturing steps, taking up to five days to determine the antibiotic resistance profile. Several amplification-based techniques have been developed to accelerate the diagnosis. The aim of this project was to develop an even faster methodology that bypasses the DNA amplification step. Gold-nanoprobes were developed and used to detect the presence of mecA gene in S. aureus genome, associated with resistance traits, for colorimetric assays based on non-crosslinking method. Our results showed that the mecA and mecA_V2 gold-nanoprobes were sensitive enough to discriminate the presence of mecA gene in PCR products and genomic DNA (gDNA) samples for target concentrations of 10 ng/μL and 20 ng/μL, respectively. As our main objective was to avoid the amplification step, we concluded that the best strategy for the early identification of MRSA infection relies on colorimetric assays based on non-crosslinking method with gDNA samples that can be extracted directly from blood samples.