The role of Gardnerella vaginalis biofilms in Bacterial vaginosis

Abstract

Bacterial vaginosis (BV) is the leading vaginal disorder in women of reproductive age worldwide. BV is characterized by the replacement of beneficial bacteria (lactobacilli) and the augmentation of anaerobic bacteria. Gardnerella vaginalis is a predominant bacterial species, however, whether it is a cause or an effect is unclear and the etiology of BV remains unknown. This has consequently led to limitations in the diagnosis and adequate treatment of BV. Aiming to improve BV diagnostic, we designed the first Peptide Nucleic Acid (PNA) Fluorescence In Situ Hybridization (FISH) methodology to increase the specificity and sensitivity of the detection of Lactobacillus spp. and G. vaginalis strains in vaginal samples. We performed a prospective study using a collection of vaginal samples that enabled the validation of the PNA-FISH methodology as a reliable alternative for BV diagnosis, demonstrating a higher specificity and accuracy when compared to classical methods. We hypothesized that G. vaginalis is the initial colonizing species and that its adherence is required before other BV-associated anaerobes are able to interact with the vaginal epithelium. To test this hypothesis, the initial adhesion of G. vaginalis and other BV-associated bacteria (A. vaginae, M. mulieris, P. bivia and F. nucleatum) was analyzed in the presence of two vaginal lactobacilli (L. crispatus and L. iners) using human epithelial cells as a model. Our results revealed that G. vaginalis had the greatest capacity to initially adhere to epithelial cells, in support of the hypothesis, it could be the main candidate for early colonization. Based on the previous results, it was also postulated that G. vaginalis could enhance the ability of other bacteria to grow and colonize the vaginal epithelium. Hence, the growth of dual species biofilms, with G. vaginalis and other BV-associated anaerobes, was evaluated. Interestingly, the G. vaginalis biofilm growth was strongly enhanced by any of the BV-associated anaerobes tested. Furthermore, it also enhanced the growth of certain BV-associated anaerobes (P. bivia and F. nucleatum). These results suggest G. vaginalis as a key role in the early establishment of BV biofilms. Finally, we performed a study to evaluate the probiotic potential of intra- and extracellular biosurfactants from 86 lactobacilli strains against several clinical G. vaginalis strains. We found 6 lactobacilli that were able to inhibit the growth and biofilm formation of several clinical G. vaginalis strains, suggesting their probiotic potential as adjuvants for BV treatment.

A vaginose bacteriana (VB) é a principal causa de desordem vaginal em mulheres de idade reprodutiva a nível mundial. A VB é caracterizada pelo decréscimo da flora vaginal saudável (lactobacilos) e pelo aumento de bactérias anaeróbicas, sendo a Gardnerella vaginalis a espécie dominante. No entanto, o agente etiológico da VB permanece desconhecido, dificultando o seu diagnóstico e consequentemente o seu tratamento adequado. Com o intuito de melhorar o diagnóstico da VB, desenvolveu-se a primeira metodologia de Hibridação In Situ de Fluorescência com sondas de Péptidos de Ácido Nucleico para aumentar a especificidade e a sensibilidade da detecção de Lactobacillus spp. e G. vaginalis em amostras vaginais. Posteriormente, realizou-se um estudo prospectivo numa coleção de amostras vaginais que permitiu validar a metodologia desenvolvida como um método alternativo e robusto para o diagnóstico correto da VB, demonstrando uma elevada especificidade e precisão quando comparado com os métodos clássicos de diagnóstico. Adicionalmente, postulamos que a G. vaginalis poderá ser o colonizador primário e que a sua adesão inicial é necessária para uma posterior colonização por outros anaeróbicos associados à VB. Por forma a testar esta hipótese, comparou-se a adesão inicial da G. vaginalis e de outros anaeróbios associados à VB (A. vaginae, M. mulieris, P. bivia e F. nucleatum) contra dois lactobacilos vaginais (L. crispatus e L. iners) usando células epiteliais humanas como modelo. Conclui-se que G. vaginalis teve a maior capacidade de adesão inicial, evidenciando-se como o principal candidato a colonizador primário na VB. Com base nestes resultados, postulouse que G. vaginalis poderá facilitar o crescimento e a colonização secundária de outros anaeróbicos. Deste modo, quantificou-se o crescimento de biofilmes mistos entre G. vaginalis e um segundo aneróbio associado à VB. Curiosamente, o biofilme da G. vaginalis apresentou um crescimento fortemente incrementado na presença de qualquer um dos outros aneróbios testados. Por sua vez, o biofilme da G. vaginalis promoveu também o crescimento de alguns anaeróbios associados à VB (P. bivia e F. nucleatum). Estes resultados sugerem que a G. vaginalis possui de facto um papel preponderante na formação inicial dos biofilmes na VB. Por último, avaliou-se o potencial probiótico dos biosurfactantes intra- e extracelular de 86 lactobacilos em várias estirpes clínicas de G. vaginalis. Este estudo permitiu selecionar 6 espécies de lactobacilos capazes de inibir o crescimento e a formação de biofilmes de G. vaginalis, demonstrando assim o potencial destes lactobacilos como probióticos candidatos para o tratamento da VB.