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Title: Development of polymeric materials to inhibit bacterial quorum sensing
Other Titles: Desenvolvimento de materiais poliméricos para inibição de quorum sensing
Author: Cavaleiro, Eliana Marisa dos Santos
Advisor: Correia, António Carlos Matias
Duarte, Ana Sofia Direito dos Santos
Chianella, Iva
Keywords: Biologia
Infecções por bactérias
Materiais poliméricos
Nanoparticulas
Vibrio fisheri
Aeromonas hydrophila
Defense Date: Oct-2014
Publisher: Universidade de Aveiro
Abstract: Bacterial infections are an increasing problem for human health. In fact, an increasing number of infections are caused by bacteria that are resistant to most antibiotics and their combinations. Therefore, the scientific community is currently searching for new solutions to fight bacteria and infectious diseases, without promoting antimicrobial resistance. One of the most promising strategies is the disruption or attenuation of bacterial Quorum Sensing (QS), a refined system that bacteria use to communicate. In a QS event, bacteria produce and release specific small chemicals, signal molecules - autoinducers (AIs) - into the environment. At the same time that bacterial population grows, the concentration of AIs in the bacterial environment increases. When a threshold concentration of AIs is reached, bacterial cells respond to it by altering their gene expression profile. AIs regulate gene expression as a function of cell population density. Phenotypes mediated by QS (QSphenotypes) include virulence factors, toxin production, antibiotic resistance and biofilm formation. In this work, two polymeric materials (linear polymers and molecularly imprinted nanoparticles) were developed and their ability to attenuate QS was evaluated. Both types of polymers should to be able to adsorb bacterial signal molecules, limiting their availability in the extracellular environment, with expected disruption of QS. Linear polymers were composed by one of two monomers (itaconic acid and methacrylic acid), which are known to possess strong interactions with the bacterial signal molecules. Molecularly imprinted polymer nanoparticles (MIP NPs) are particles with recognition capabilities for the analyte of interest. This ability is attained by including the target analyte at the synthesis stage. Vibrio fischeri and Aeromonas hydrophila were used as model species for the study. Both the linear polymers and MIP NPs, tested free in solutions and coated to surfaces, showed ability to disrupt QS by decreasing bioluminescence of V. fischeri and biofilm formation of A. hydrophila. No significant effect on bacterial growth was detected. The cytotoxicity of the two types of polymers to a fibroblast-like cell line (Vero cells) was also tested in order to evaluate their safety. The results showed that both the linear polymers and MIP NPs were not cytotoxic in the testing conditions. In conclusion, the results reported in this thesis, show that the polymers developed are a promising strategy to disrupt QS and reduce bacterial infection and resistance. In addition, due to their low toxicity, solubility and easy integration by surface coating, the polymers have potential for applications in scenarios where bacterial infection is a problem: medicine, pharmaceutical, food industry and in agriculture or aquaculture.
Infeções bacterianas são um problema recorrente para a saúde pública. A maioria das infeções bacterianas tem aumentado devido ao facto das bactérias se tornarem resistentes aos antibióticos. A procura de estratégias para combater este facto, sem promover a resistência antimicrobiana, tem sido incessante. A atenuação ou até mesmo a disrupção do Quorum Sensing (QS), é uma estratégia promissora para enfrentar este problema. QS é um sistema de comunicação bacteriana, onde há produção e libertação de moléculas sinais específicas, denominadas de Auto Indutores (AIs) para o ambiente. Á medida que a população bacteriana aumenta, aumenta também a concentração de moléculas sinais no ambiente. Quando a concentração destas moléculas atinge um certo limite, há uma alteração a nível da expressão genética. A expressão de determinados genes relacionados com fatores de virulência, produção de toxinas, resistência a antibióticos e formação de biofilmes é intrinsecamente relacionada com QS. Neste estudo foram desenvolvidos dois tipos de polímeros (polímeros lineares e nanopartículas impressas molecularmente) com capacidade para atenuar QS. Ambos os polímeros têm como finalidade a absorção e consequente remoção de moléculas sinais do ambiente, com consequente disrupção de QS. Os polímeros lineares são compostos por dois tipos de monómeros (ácido itacónico e ácido metacrílico) que possuem afinidade para as moléculas sinais. Nanoparticulas impressas molecularmente são partículas específicas para o alvo de interesse, pois este é incluído no processo de síntese. Vibrio fischeri e Aeromonas hydrophila foram os microrganismos escolhidos para este estudo. A eficiência dos polímeros lineares e das nanopartículas foi testada quer em solução quer como revestimento de superfícies, evidenciando as suas capacidade de disrupção de QS através da diminuição da bioluminescência de V. fischeri e da formação de biofilme de A. hydrophila. O crescimento bacteriano não mostrou ser afetado pela presença destes materiais. A citotoxicidade foi avaliada, usando uma linha celular de fibroblastos, de modo a avaliar a biocompatibilidade. Os resultados mostraram que ambos os materiais não são citotóxicos. Em conclusão, este estudo demonstrou que os polímeros desenvolvidos podem ser uma estratégia efetiva de disrupção de QS e redução de infeções e de resistência bacteriana. Devido às suas características, reduzida citotoxicidade, solubilidade e facilidade de integração, estes materiais poderão ser aplicados de diversas formas, especialmente onde há predominância de infeções bacterianas, como ambientes clínicos, farmacêuticos, indústria alimentar, agricultura ou aquacultura.
Description: Doutoramento em Biologia
URI: http://hdl.handle.net/10773/14887
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