"NanoBioControle": Magnetische Nanobiosystemen voor Biofilm Controle

De laatste jaren is duidelijk geworden dat micro-organismen voornamelijk voorkomen als complexe, conditie afhankelijke, oppervlakte geassocieerde gemeenschappen, welke biofilmen genoemd worden. In deze biofilmen zijn micro-organismen ingebed in een zelfgeproduceerde polymere matrix, die bescherming biedt tegen antimicrobiële middelen, zoals antibiotica, ontsmettingsmiddelen en andere stressfactoren. Hierdoor vormen biofilmen zeer persistente besmettingen en infecties, die vaak grote kosten met zich meebrengen en bovendien zeer moeilijk te bestrijden zijn. Bovendien is er een sterke toename in resistentie ontwikkeling tegen de bestaande antibiotica. De nood aan nieuwe strategieën om biofilmen te bestrijden is daarom groter dan ooit. Het doel van dit doctoraatsonderzoek bestaat bijgevolg in het optimaliseren van in-house ontwikkelde 5-aryl-2-aminoimidazool (5-Ar-2-AI) gebaseerde biofilminhibitoren en het ontwikkelen van strategieën voor hun toediening.

Het eerste deel van dit onderzoek richt zich op het bepalen van de antibiofilm activiteit van 5-Ar-2-AI gebaseerde componenten tegen een groot aantal bacteriesoorten en Candida albicans. Hieruit bleek dat de N1-gesubstituteerde 5-Ar-2-AIs actief zijn tegen biofilmen gevormd door Gram-negatieve en Gram-positieve bacteriën en C. albicans, maar toxisch zijn tegen verschillende eukaryote cellijnen. De 2N-gesubstituteerde 5-Ar-2-AIs daarentegen zijn niet toxisch en actief tegen biofilmen gevormd door Gram-negatieve bacteriën en C. albicans, maar zijn in mindere mate actief tegen biofilmen gevormd door Gram-positieve bacteriën. Voor toepassing als nieuwe, antibiofilm coating van orthopedische implantaten werden bovendien de N1,2N-digesubstituteerde 5-Ar-2-AIs ontwikkeld, welke niet toxisch zijn en activiteit vertonen tegen Gram-positieve bacteriën en C. albicans. Verder hebben deze componenten geen effect op de groei van beencellen en wordt de calciumafzetting zelfs geïnduceerd. Veel van deze 5-Ar-2-AIs werken specifiek in op de biofilmvorming, zonder effect op de vrijlevende groei, waardoor de ontwikkeling van bacteriële resistentie verwacht wordt te verminderen.

Het activiteitsspectrum van de N1,2N-digesubstituteerde 5-Ar-2-AIs zorgt ervoor dat deze componenten ideaal zijn voor het coaten van orthopedische implantaten, welke vaak geïnfecteerd worden door Gram-positieve staphylococcen. In een volgend deel werd daarom de in vitro en in vivo activiteit van een N1,2N-digesubstituteerde 5-Ar-2-AI, namelijk LC0024, covalent gecoat op een titanium oppervlak tegen Staphylococcus aureus biofilmen onderzocht. Uit de resultaten bleek dat de gecoate implantaten in beide condities biofilmvorming inhiberen, zonder de vrijlevende groei en de osseointegratie te beïnvloeden. Hiermee wordt het klinisch potentieel van deze antibiofilm coating verder benadrukt.

In een derde deel van dit onderzoek werd getracht de toepasbaarheid van de 5-Ar-2-AIs te verhogen door middel van covalente koppeling aan magnetische ijzeroxide nanopartikels. Evaluatie van hun activiteit tegen een breed spectrum aan bacteriële soorten toonde aan dat de biofilm-specificiteit, dit is de activiteit tegen de biofilm zonder effect op de vrijlevende groei, verhoogd werd in vergelijking met de 5-Ar-2-AIs in oplossing. Bovendien zorgt de koppeling aan magnetische nanopartikels voor een aantal extra inhibitiemogelijkheden door gebruik te maken van een magnetisch veld. Het plaatsen van een magneet onder de biofilm zorgde voor een verhoging van de biofilm inhibitie tegen Salmonella enterica serovar Typhimurium. Ook het aanleggen van een wisselend magnetisch veld rond de biofilm, wat zorgt voor de productie van warmte aan het nanopartikel oppervlak, resulteerde in een verhoogde biofilm inhibitie.

In een laatste deel werden de 5-Ar-2-AIs gevalideerd in een multispecies biofilm model dat werd opgesteld op basis van in situ staalnames in irrigatieleidingen van vier hydroponische serres, waar biofilmvorming voor grote problemen zorgt. Uit de resultaten van de staalnames bleek inderdaad dat de huidige desinfectiemethode onvoldoende is om de microbiële contaminaties te verwijderen. Het bepalen van de activiteit van de 5-Ar-2-AIs, vrij in oplossing evenals gebonden aan de magnetische nanopartikels, tegen een multispecies biofilm model toonde aan dat de vrije 5-Ar-2-AIs zeer actief zijn tegen alle bacteriesoorten in de biofilm terwijl de ijzeroxide nanopartikels en de 5-Ar-2-AI-gefunctionaliseerde ijzeroxide nanopartikels slechts actief zijn tegen een aantal bacteriesoorten in de biofilm. Door het bepalen van de inter-species interacties in de multispecies biofilmen, bleek dat er vooral competitieve interacties aanwezig zijn. Verder werd na toediening van de nanopartikels een verhoogde tolerantie vastgesteld in de multispecies biofilm, in vergelijking met de monospecies biofilmen. Deze verhoging kon verklaard worden door een vermindering van de competitieve interacties en bijgevolg een heropleving van de onderdrukte soorten. Een andere optie kan zijn dat de aanwezigheid van een concurrerende soort rechtstreeks de inherente tolerantie van een andere soort verhoogt.

Samengevat werden met dit onderzoek twee nieuwe toepassingen van de 5-Ar-2-AIs uitgewerkt. Het therapeutisch potentieel van de 5-Ar-2-AIs werd bevestigd door het coaten van een titanium oppervlak, en hun toediening werd verbeterd door het covalent koppelen aan magnetische nanopartikels. Bovendien werd de industriële relevantie verhoogd door gebruik te maken van multispecies irrigatie biofilm modellen.