A biodegradable PLGA: coating releasing DNase I to prevent bacterial adhesion and biofilm formation

Abstract

Biofilms are highly complex bacterial aggregates, surrounded by extracellular polymeric substances (EPS). Each matrix component has specific functions contributing to the maintenance of the biofilm health. In the EPS matrix, extracellular deoxyribonucleic acid (eDNA) is present at the bacterial cell surface and plays an essential role in several stages of biofilm formation, namely it determines biofilm architecture, provides mechanical stability to biofilms, protects bacterial cells in biofilms from physical stress, antibiotics and detergents and could be a significant source of organic nutrients in the environment whilst disseminating genes amongst different microorganisms. In this context, attacking this essential component of the EPS matrix by deoxyribonuclease I (DNase I), an endonuclease that digests DNA through hydrolysis of the phosphodiester bonds, has been considered a possible approach to prevent biofilm formation. In this work, covering titanium, a common orthopaedic implant material, with a protective biodegradable poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) coating containing embedded DNase I, has been found to be a promising strategy to prevent the initial bacterial adhesion and biofilm formation in vitro. Employing coatings of PLGA-DNase I and PLGA-inulin packaged DNase I, bacterial adhesion and biovolumes of biofilms of up to 120 h old, of both Staphylococcus aureus ATTCC 12600GFP or Staphylococcus aureus Newman D2CGFP, decreased substantially with respect to uncoated titanium. It is expected that a timescale of 120 h is sufficiently long to prevent infection arising from peri-operatively introduced bacteria as is currently done with a dose of post-operatively administered antibiotics. Without the risk of bacterial resistance development, the PLGA-inulin packaged DNase I coating provides an appropriate and effective strategy to prevent biofilm formation on the surface of biomaterial implants and devices. In addition, the contact between U2-OS cells and the developed PLGA coatings does not negatively affect their viability and proliferative capacity, as well as the adhesion to the surface of the coatings. Therefore, this approach should be further explored to determine whether it can mitigate the occurrence of biomaterial-associated infections (BAI) in vivo, which are responsible for several clinical complications and high healthcare costs.

Os biofilmes são agregados bacterianos altamente complexos, rodeados por substâncias extracelulares poliméricas (EPS). Na matriz da EPS, o ácido desoxirribonucleico extracelular (eDNA) está presente na superfície das células bacterianas e desempenha um papel essencial em várias fases da formação do biofilme, nomeadamente determina a sua arquitetura, proporciona estabilidade mecânica, protege as células bacterianas de stress físico, antibióticos e detergentes, e pode ser uma fonte significativa de nutrientes orgânicos no ambiente enquanto dissemina genes entre diferentes microrganismos. Neste contexto, atacar este componente essencial da matriz de EPS utilizando desoxirribonuclease I (DNase I), uma endonuclease que digere DNA por hidrólise das ligações fosfodiéster, tem sido considerada uma possível abordagem para evitar a formação de biofilmes. No presente trabalho, o revestimento de titânio, material comummente utilizado em implantes ortopédicos, com uma proteção biodegradável de poli(ácido láctico-co-ácido glicólico) (PLGA) incorporando DNase I, mostrou ser uma estratégia promissora para prevenir a adesão bacteriana inicial e a formação de biofilmes in vitro. Comparativamente à superfície de titânio não revestida, os revestimentos PLGA-DNase I e PLGA-inulina incorporando DNase I diminuíram significativamente a adesão bacteriana e os biovolumes dos biofilmes constituídos por Staphylococcus aureus ATTCC 12600GFP ou Staphylococcus aureus Newman D2CGFP com 24 h, 72 h e 120 h de crescimento. É expectável que 120 h seja um período de tempo suficientemente longo para evitar a ocorrência de infecções resultantes da entrada de bactérias no período peri-operatório. Sem apresentar risco de desenvolvimento de resistência bacteriana, o revestimento PLGA-inulina incorporando DNase I constitui uma estratégia adequada e eficaz para prevenir a formação de biofilmes na superfície de implantes de biomateriais e dispositivos. Adicionalmente, o contacto entre as células U2-OS e os revestimentos de PLGA desenvolvidos não afecta negativamente a sua viabilidade e capacidade proliferativa, assim como a sua adesão à superfície dos revestimentos. Portanto, esta abordagem deve ser explorada no futuro de forma a concluir se pode mitigar in vivo a ocorrência de infecções associadas aos biomateriais (BAI) responsáveis por várias complicações clínicas e altos custos de saúde.