Extracellular DNA impedes the transport of vancomycin in Staphylococcus epidermidis biofilms pre-exposed to sub-inhibitory concentrations of vancomycin

Staphylococcus epidermidis biofilm formation is responsible for the persistence of orthopedic implant infections. Previous studies have shown that exposure of S. epidermidis biofilms to sub-MICs of antibiotics induced an increased level of biofilm persistence. BODIPY FL-vancomycin (a fluorescent vancomycin conjugate) and confocal microscopy were used to show that the penetration of vancomycin through sub-MIC-vancomycin-treated S. epidermidis biofilms was impeded compared to that of control, untreated biofilms. Further experiments showed an increase in the extracellular DNA (eDNA) concentration in biofilms preexposed to sub-MIC vancomycin, suggesting a potential role for eDNA in the hindrance of vancomycin activity. Exogenously added, S. epidermidis DNA increased the planktonic vancomycin MIC and protected biofilm cells from lethal vancomycin concentrations. Finally, isothermal titration calorimetry (ITC) revealed that the binding constant of DNA and vancomycin was 100-fold higher than the previously reported binding constant of vancomycin and its intended cellular D-Ala-D-Ala peptide target. This study provides an explanation of the eDNA-based mechanism of antibiotic tolerance in sub-MIC-vancomycin-treated S. epidermidis biofilms, which might be an important factor for the persistence of biofilm infections.

Inactivation of Pseudomonas spp. biofilms with natural and synthetic photossensitizers

Cationic porphyrins have been widely used as photosensitizers (PSs) in the inactivation of microorganisms, both in biofilms and in planktonic forms. However, the application of curcumin, a natural PS, in the inactivation of biofilms, is poorly studied. The objectives of this study were (1) to evaluate and compare the efficiency of a cationic porphyrin tetra (Tetra-Py+-Me) and curcumin in the photodynamic inactivation of biofilms of Pseudomonas spp and the corresponding planktonic form; (2) to evaluate the effect of these PSs in cell adhesion and biofilm maturation. In eradication assays, biofilms of Pseudomonas spp adherent to silicone tubes were subjected to irradiation with white light (180 J cm-2) in presence of different concentrations (5 and 10 μM) of PS. In colonization experiments, solid supports were immersed in cell suspensions, PS was added and the mixture experimental setup was irradiated (864 J cm-2) during the adhesion phase. After transference solid supports to new PS-containing medium, irradiation (2592 J cm-2) was resumed during biofilm maturation. The assays of inactivation of planktonic cells were conducted in cell suspensions added of PS concentrations equivalent to those used in experiments with biofilms. The inactivation of planktonic cells and biofilms (eradication and colonization assays) was assessed by quantification of viable cells after plating in solid medium, at the beginning and at the end of the experiments. The results show that porphyrin Tetra-Py+-Me effectively inactivated planktonic cells (3.7 and 3.0 log) and biofilms of Pseudomonas spp (3.2 and 3.6 log). In colonization assays, the adhesion of cells was attenuated in 2.2 log, and during the maturation phase, a 5.2 log reduction in the concentration of viable cells was observed. Curcumin failed to cause significant inactivation in planktonic cells (0.7 and 0.9 log) and for that reason it was not tested in biofilm eradication assays. In colonization assays, curcumin did not affect the adhesion of cells to the solid support and caused a very modest reduction (1.0 log) in the concentration of viable cells during the maturation phase. The results confirm that the photodynamic inactivation is a promising strategy to control installed biofilms and in preventing colonization. Curcumin, however, does not represent an advantageous alternative to porphyrins in the case of biofilms of Pseudomonas spp.

In vitro study of the effect of wound dressings on planktonic and biofilms from diabetic foot isolates

The management of wound bioburden has previously been evaluated using various antimicrobial wound dressings on bacterial pathogens isolated from various wounds. In this present study, the antimicrobial effect of silver-impregnated dressings (Acticoat and Silvercel) and honey-impregnated dressing (Medihoney™ Apinate) on both planktonic bacteria and quasi-biofilms by Staphylococcus aureus and Proteus mirabilis were assessed using a 6-well plate and standard agar technique. In the 6-well plate assay, a bacterial suspension of 108 colony forming unit (CFU)/mL was inoculated on each dressing in excess Luria-Bertani broth and incubated at 35 – 37°C for 30 and 60 minutes and 24 hours. After each incubation time, bacteria were recovered in sodium thioglycolate solution (STS) and the CFU/mL determined on LB agar. Dressings were cut into circular shapes (2cm diameter and placed on Mueller Hinton agar plates pre-inoculated with bacterial suspensions to determine their zones of inhibition (ZOI) after 24 hours incubation. None of the dressings was effective to significantly inhibit bacterial growth or biofilm formation at all the times tested. Acticoat and Medihoney™ Apinate produced ZOIs between 1.5 – 15 mm against both Staphylococcus aureus and Proteus mirabilis. It is possible that, dressings augmented with antibiotics can significantly reduce quasi-biofilms on standard agar.

Cinnamaldehyde increases the susceptibility of quorum-sensing-mediated biofilms to conventional antibiotics

The role of bacterial communication, also known as quorum sensing is an important mechanism in biofilm formation which is fundamental to the development of anti-biofilm strategies. In this current study, the synergy between a quorum sensing inhibitor (cinnamaldehyde) and two antibiotics (ceftazidime and levofloxacin) was evaluated in an attempt to develop a strategy for biofilm disruption using the high-throughput minimum biofilm eliminating concentration (MBEC) assay. Klebsiella pneumoniae and Proteus mirabilis biofilms of initial broth suspensions of 108 colony forming units (CFU) per mL, cultivated on the pegs of the MBEC device were challenged with 5120 µg/ml of ceftazidime and levofloxacin in a double dilution assay in the presence of 500 µM cinnamaldehyde. The minimum inhibitory concentrations (MIC) in the presence of cinnamaldehyde for ceftazidime and levofloxacin were 0.125% (640 µg/mL) and 0.0625% (320 µg/mL) respectively with no significant bacterial growth on LB agar. The MBECs for ceftazidime and levofloxacin were above 5120 and 2560 µg/mL respectively which yielded over 70% reduction in both Klebsiella pneumoniae and Proteus mirabilis biofilms. The above results indicate the possibility that the synergy between antimicrobial agents may lead to biofilm eradication.

The in vitro assessment of the synergistic effects of antibiotics and wound dressings on biofilms from diabetic foot pathogens

The impact of biofilm in the effective control of wound microbiome is an ongoing dilemma which has seen the use of different treatment strategies. The effects of wound dressings and antibiotics on both planktonic bacteria and biofilms have been separately evaluated in previous studies. In this current study, the combined antimicrobial effects of some selected wound dressings (silver-impregnated: Acticoat and Silvercel; and honey-impregnated: Medihoney™ Apinate) and antibiotics (ceftazdime and levofloxacin) on Klebsiella pneumoniae and Proteus mirabilis in their quasi-biofilm state were assessed using zone of inhibition (ZOI) test. Before the addition of the wound dressings, bacterial suspension of 108 colony forming units per mL and different concentrations of ceftazidime and levofloxacin (256, 512, 1024 and 5120µg/mL) of a final volume of 1mL were inoculated on Mueller Hinton agar and allowed to dry. Wound dressings cut into circular shapes (2cm diameter) were aseptically placed on the agar plates and incubated at 35 – 37°C for 24 hours. ZOIs associated with Acticoat, Silvercel and Medihoney™ Apinate dressings were compared with that of Atrauman (non-medicated control) dressing. All three dressings showed significant (p < 0.05) biofilm-inhibiting activity against both bacteria at antibiotic concentrations of 1024 and 5120µg/mL with ZOI between 17.5 and 35mm.

In Vitro Assessment of the Synergy between Polymyxin B (PMB) and Polymyxin B Nonapeptide (PMBN) and Antibiotics on Biofilms from Diabetic Foot Infections

Background: The increasing resistance of Gram-negative bacteria isolated from nosocomial infections and chronic wounds, such as diabetic foot ulcers has renewed research interests in the use of polymyxins in the treatment of multidrug resistant infections. The added resistance conferred by biofilm development in such infections and the absence of novel antibiotics presuppose that polymyxins are the likely drugs of choice in spite of their nephrotoxicity. The effects of PMB and PMBN have been previously assessed on planktonic bacteria isolated from various infections. Methods: This current study assessed the synergy between a PMB/PMBN and two antibiotics (ceftazidime and levofloxacin) in an attempt to develop a strategy for biofilm disruption using the Minimum Biofilm Eradication Concentration Physiology and Genetic assay (MBEC™ P & G, Innovotech Inc, Edmonton, Alberta, Canada) according to manufacturer’s instructions. Klebsiella pneumoniae (K. pneumoniae) and Proteus mirabilis (P. mirabilis) biofilms of initial broth suspensions of 108 colony forming units per mL, cultivated on the pegs of the MBEC device were challenged with 5120 µg/mL of both ceftazidime and levofloxacin in a ten-fold dilution assay and in the presence of 100 and 500 µg/mL PMB and PMBN. Results: From table of results (Table 1), it can be deduced that both ceftazidime and levofloxacin are very effective in inhibiting biofilm development (as shown by percentage inhibition (PI)) when augmented with PMB and PMBN. This is about 100-fold increase in efficacy when compared to the antibiotics used on their own. The percentage reduction (PR) in biofilm was also increased considerably when PMB and PMBN concentrations were increased to 500 µg/mL. PMB was more effective than its less antibacterial derivative PMBN. Levofloxacin was also found to be more effective than ceftazidime when combined with both PMB and PMBN due to its enhanced cell-membrane permeability and as an anti-DNA replication uncoupling agent. Conclusion: The above results indicate that the synergy between antibiotics and cell membrane permeabilising agents may provide alternate strategies towards biofilm eradication

Pruebas de susceptibilidad in vitro con antifúngicos en células planctónicas y en Biofilms de Candida parapsilosis

[Tesis] (Maestría en Ciencias con Especialidad en Microbiología Médica) U.A.N.L.

Efectividad antimicrobiana del gel antiséptico de superoxidación versus digluconato de clorhexidina al 0.12 % en la formación de biofilms en la superficie de mini implantes ortodóncicos : estudio in-vitro.

Tesis (Maestría en Ciencias Odontológicas con Especialidad en Ortodoncia) UANL, 2011.

La réponse au Farnésol de Candida albicans : production de biofilms et Parenté génétique

C. albicans est une levure pathogène opportuniste. Elle est un agent causal fréquent des infections muco-cutanées. C. albicans peut alterner entre la forme blastospore et mycélium. Cette dernière forme est impliquée dans la formation des biofilms. Le dimorphisme de C. albicans est contrôlé en partie par le phénomène de perception du quorum (quorum sensing) qui en autre, est associé à la molécule farnésol, produit par cette levure. La présence de cette molécule, inhibe la formation d’hyphe par C. albicans et par conséquent limite la formation de biofilms. Certaines souches ne répondent pas au farnésol et nous avons vérifié les hypothèses que : 1) la proportion des Non-Répondeurs (NR) au farnésol est similaire entre les souches de provenance orale et vaginale; 2) la capacité de formation de biofilm varie d’une souche à une autre mais les Non-Répondeurs en produisent en plus grande quantité; 3) la technique RAPD-PCR permettra de regrouper les souches de cette levure suivant leur provenance, leur capacité de formation de biofilm et leur aptitude à répondre au farnésol. La découverte d’une souche vaginale Non-Répondeur nous permet de croire que la proportion de ces souches est similaire entre les deux types de provenance. Les souches caractérisées Non-Répondeurs produisent 30 % plus de biofilm que les Répondeurs en absence de farnésol exogène dans le milieu. En présence de farnésol exogène, les Non-Répondeurs produisent 70 % plus de biomasse que les Répondeurs. De plus, la technique RAPD ne nous a pas permis de classer nos souches d’après les caractéristiques proposées. En conclusion, les souches orales de C. albicans semblent produire en moyenne plus de biomasse que les souches vaginales. Aussi, les NR semblent moins affectés par la présence du farnésol, ce qui pourrait causer la présence de biofilms tenaces. Les amorces utilisées pour la technique RAPD n’ont pas été efficace à la classification des souches dépendamment de leur provenance, de leur capacité à former un biofilm et à répondre au farnésol. Mots clés : Candida albicans, biofilm, perception du quorum (quorum sensing), farnésol, Non-Répondeur

Implication des biofilms dans la rhinosinusite chronique et l’évaluation des traitements avec un modèle in vitro

Introduction : La chronicité de la rhinosinusite, sa résistance aux antibiotiques, et ses exacerbations aiguës laissent croire que les biofilms sont impliqués dans la rhinosinusite chronique. Objectifs : Nous avons évalué la capacité des bactéries Pseudomonas aeruginosa, staphylocoques à coagulase négative et Staphylococcus aureus à former des biofilms par un essai in vitro, et si cette capacité de formation a un lien avec l’évolution de la maladie. Nous avons évalué in vitro l’effet de la moxifloxacine, un antibiotique utilisé dans le traitement de la rhinosinusite chronique sur des biofilms matures de Staphylococcus aureus. Méthodes : Trent et une souches bactériennes ont été isolées de 19 patients atteints de rhinosinusite chronique et qui ont subit au moins une chirurgie endoscopique des sinus. L’évolution de la maladie a été notée comme "bonne" ou "mauvaise" selon l’évaluation du clinicien. La production de biofilm a été évaluée grâce à la coloration au crystal violet. Nous avons évalué la viabilité du biofilm après traitement avec la moxifloxacine. Ces résultats ont été confirmés en microscopie confocale à balayage laser et par la coloration au LIVE/DEAD BacLight. Résultat et Conclusion : Vingt deux des 31 souches ont produit un biofilm. La production d’un biofilm plus importante chez Pseudomonas aeruginosa et Staphylococcus aureus était associée à une mauvaise évolution. Ceci suggère un rôle du biofilm dans la pathogenèse de la rhinosinusite chronique. Le traitement avec la moxifloxacine, à une concentration de 1000X la concentration minimale inhibitrice réduit le nombre des bactéries viables de 2 à 2.5 log. Ces concentrations (100 µg/ml - 200 µg/ml) sont faciles à atteindre dans des solutions topiques. Les résultats de notre étude suggèrent que l’utilisation de concentrations supérieure à la concentration minimale inhibitrice sous forme topique peut ouvrir des voies de recherche sur de nouveaux traitements qui peuvent être bénéfiques pour les patients atteints de forme sévère de rhinosinusite chronique surtout après une chirurgie endoscopique des sinus.

Quantifying diffusion in biofilms : from model hydrogels to living biofilms

Les biofilms sont des communautés de microorganismes incorporés dans une matrice exo-polymérique complexe. Ils sont reconnus pour jouer un rôle important comme barrière de diffusion dans les systèmes environnementaux et la santé humaine, donnant lieu à une résistance accrue aux antibiotiques et aux désinfectants. Comme le transfert de masse dans un biofilm est principalement dû à la diffusion moléculaire, il est primordial de comprendre les principaux paramètres influençant les flux de diffusion. Dans ce travail, nous avons étudié un biofilm de Pseudomonas fluorescens et deux hydrogels modèles (agarose et alginate) pour lesquels l’autodiffusion (mouvement Brownien) et les coefficients de diffusion mutuels ont été quantifiés. La spectroscopie par corrélation de fluorescence a été utilisée pour mesurer les coefficients d'autodiffusion dans une volume confocal de ca. 1 m3 dans les gels ou les biofilms, tandis que les mesures de diffusion mutuelle ont été faites par cellule de diffusion. En outre, la voltamétrie sur microélectrode a été utilisée pour évaluer le potentiel de Donnan des gels afin de déterminer son impact sur la diffusion. Pour l'hydrogel d'agarose, les observations combinées d'une diminution du coefficient d’autodiffusion et de l’augmentation de la diffusion mutuelle pour une force ionique décroissante ont été attribuées au potentiel de Donnan du gel. Des mesures de l'effet Donnan (différence de -30 mV entre des forces ioniques de 10-4 et 10-1 M) et l'accumulation correspondante d’ions dans l'hydrogel (augmentation d’un facteur de 13 par rapport à la solution) ont indiqué que les interactions électrostatiques peuvent fortement influencer le flux de diffusion de cations, même dans un hydrogel faiblement chargé tel que l'agarose. Curieusement, pour un gel plus chargé comme l'alginate de calcium, la variation de la force ionique et du pH n'a donné lieu qu'à de légères variations de la diffusion de sondes chargées dans l'hydrogel. Ces résultats suggèrent qu’en influençant la diffusion du soluté, l'effet direct des cations sur la structure du gel (compression et/ou gonflement induits) était beaucoup plus efficace que l'effet Donnan. De même, pour un biofilm bactérien, les coefficients d'autodiffusion étaient pratiquement constants sur toute une gamme de force ionique (10-4-10-1 M), aussi bien pour des petits solutés chargés négativement ou positivement (le rapport du coefficient d’autodiffusion dans biofilm sur celui dans la solution, Db/Dw ≈ 85 %) que pour des nanoparticules (Db/Dw≈ 50 %), suggérant que l'effet d'obstruction des biofilms l’emporte sur l'effet de charge. Les résultats de cette étude ont montré que parmi les divers facteurs majeurs qui affectent la diffusion dans un biofilm environnemental oligotrophe (exclusion stérique, interactions électrostatiques et hydrophobes), les effets d'obstruction semblent être les plus importants lorsque l'on tente de comprendre la diffusion du soluté. Alors que les effets de charge ne semblaient pas être importants pour l'autodiffusion de substrats chargés dans l'hydrogel d'alginate ou dans le biofilm bactérien, ils ont joué un rôle clé dans la compréhension de la diffusion à travers l’agarose. L’ensemble de ces résultats devraient être très utiles pour l'évaluation de la biodisponibilité des contaminants traces et des nanoparticules dans l'environnement.