Immobilized antimicrobial agents: potential development of microbial resistance

Abstract

With an aging society and the increasing use of medical implants and devices, the problem of biomaterial-associated infections (BAI) will increase in coming years. The development of materials able to prevent bacterial colonisation is a promising approach to deal with BAI and several strategies to confer biomaterials with antimicrobial properties are emerging. They have, however, some limitations to be solved, namely the potential development of microbial resistance to the antimicrobial agents immobilized on the functionalized surfaces. This study aimed to evaluate the potential development of resistance by Staphylococcus aureus and Staphylococcus epidermidis adhered on polydimethylsiloxane (PDMS) functionalized with different antimicrobial compounds (vancomycin, rifampicin and benzalkonium chloride, BAC). PDMS functionalization was performed using a mussel-inspired coating strategy. A preliminary optimization of antimicrobials immobilization to confirm their contact-killing activity was followed by leaching assays. The ability of antimicrobial surfaces to prevent biofilm formation was further assessed by XTT assay. The potential development of resistance towards the immobilized antimicrobials was evaluated by continuously recovering the cells adhered on the surfaces and allowing them to adhere to new surfaces for a total of 10 passages. Results showed that antimicrobial surfaces exhibited contact-killing activity being the best performance achieved for a basic pH (8.5) and an overnight incubation. The leaching assays revealed that the increase of the antimicrobial concentration produced higher inhibition zones, hence more antimicrobial release from the functionalized surfaces. Antimicrobial surfaces were able to impair biofilm establishment, although complete biofilm eradiation was not achieved. The possible development of resistance of these remaining cells was then investigated and results showed that cells recovered from BAC-functionalized surfaces did not express propensity for developing resistance, as they have susceptibility patterns similar to the cells recovered from the unmodified surfaces. Conversely, cells recovered from the surfaces modified with antibiotic exhibited a higher MBC as compared to cells recovered from unmodified PDMS. Surfaces functionalized with rifampicin were not tested for potential development of resistance because its immobilization without leaching could not be achieved. This study highlighted the importance of evaluating the potential development of microbial resistance towards immobilized antimicrobials, namely when antibiotics are used to modify biomedical surfaces. Although it is required to test BAC cytotoxicity after its immobilization, overall results also emphasized its potential to be used in the design of materials able to prevent BAI without fostering bacterial resistance.

Com o envelhecimento da sociedade e o aumento do uso de implantes e dispositivos médicos, a problemática das infeções associadas a biomateriais (BAI) deverá aumentar nos próximos anos. A melhor forma de lidar com estas infeções consiste na modificação dos biomateriais conferindo-lhes propriedades antimicrobianas. Existem, contudo, limitações que precisam de ser solucionadas, nomeadamente o potencial desenvolvimento de resistência microbiana aos agentes antimicrobianos após a sua imobilização nas superfícies. Este trabalho teve como objetivo avaliar o potencial desenvolvimento de resistência de Staphylococcus aureus e Staphylococcus epidermidis aderidos em superfícies de polidimetilsiloxano (PDMS) funcionalizadas com diferentes compostos antimicrobianos (vancomicina, ripampicina e cloreto de benzalcónio, BAC). A funcionalização do PDMS foi realizada utilizando uma estratégia de revestimento inspirada na adesão dos mexilhões. Primeiro, procedeu-se à otimização da imobilização dos antimicrobianos para confirmar a sua capacidade de matar por contacto, seguindo-se os ensaios para avaliar a sua libertação da superfície. A capacidade das superfícies antimicrobianas para prevenir a formação de biofilme foi avaliada através de um ensaio de XTT. O potencial desenvolvimento de resistência aos agentes antimicrobianos imobilizados foi em seguida avaliado através da contínua recuperação das células aderidas a estas superfícies antimicrobianas, seguindo-se a sua adesão a novas superfícies, processo repetido num total de 10 passagens. Os resultados demonstraram que as superfícies preparadas apresentaram propriedades antimicrobianas, obtendo-se um melhor desempenho para um pH alcalino (8.5) e um tempo de incubação de 16-18 horas. Os ensaios de libertação revelaram que um aumento da concentração do agente produziu maiores zonas de inibição, logo uma maior libertação. Estas superfícies foram capazes de prejudicar o estabelecimento de biofilme, contudo, não foram capazes de o erradicar completamente. O potencial desenvolvimento de resistência destas células foi depois investigado e os resultados demonstraram que as células recuperadas das superfícies funcionalizadas com BAC não apresentaram tendência para induzir resistência uma vez que estas exibiram o mesmo perfil de suscetibilidade que as células aderidas às superfícies não modificadas. Pelo contrário, as células em contacto com as superfícies funcionalizadas com vancomicina, apresentaram uma MBC superior à das células recuperadas das superfícies não modificadas de PDMS. A imobilização da rifampicina não foi possível de efetuar sem libertação pelo que não foi testada nos ensaios de resistência. Este estudo salienta a importância de estudar o potencial desenvolvimento de resistência por parte de antimicrobianos imobilizados, sobretudo quando antibióticos são usados para modificar a superfícies de biomateriais. Apesar de ser necessário testar a citotoxicidade do BAC após a sua imobilização, foi ainda salientado o potencial do BAC na produção de materiais para prevenir as BAI sem despoletar resistência bacteriana.