Influence of superparamagnetic iron oxide nanoparticles on macrophages in removing attached bacteria

Abstract

Biomaterials play an important role in human life to restore and support function in order to generate a better quality of life, as well as a long life time of patients. Bacterial biofilms can increase the pathogenicity of infection and constitute a major problem in modern medicine, especially on biomedical devices and implants. Biofilms are difficult to treat with antibiotics, even to eradicate by the host immune system, being the major cause of implant and device failure. Therefore, new strategies to prevent and cure bacterial infection need to be found. Nanoparticles have many special properties as small size and large surface area, surface reactivity, crystallinity, electronic properties, charge, shape, hydrophobicity / hydrophilicity, and solubility. Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) represent a special class of biocompatible nanoparticles that have one specific component called magnetic particle core that can be targeted to on specific location through external magnets. These specific nanoparticles present good biocompatibility with human cells, such as macrophages, and also strong antimicrobial properties. The main goal of this thesis was to evaluate the influence of SPIONs in macrophages and consequently its impact in bacterial biofilms. Staphylococcus aureus biofilms were exposed to macrophages in the presence and absence of SPIONs and microscopically analysed. SPIONs were internalized by macrophages, yielding 10% less staphylococcal survival as compared to the macrophages alone. In conclusion, the presence of SPIONs on macrophages increases the efficacy to remove staphylococci from infectious biofilms, which can have a major impact on the prevention and cure of bacterial infections.

Os biomateriais apresentam uma enorme importância nos dias de hoje, devido às suas funções de suporte e restruturação, garantindo uma melhor qualidade de vida e melhor esperança média de vida dos pacientes. Os biofilmes bacterianos podem aumentar a fagoticidade de uma infeção, constituindo um grande problema na medicina moderna, especialmente em implantes e dispositivos biomédicos. Os biofilmes são de difícil tratamento com o uso de antibióticos, ou mesmo pela erradicação através do sistema imune do hospedeiro, sendo a maior causa de falha de implantes e dispositivos médicos. As nanopartículas apresentam diversas propriedades especiais, como o seu tamanho pequeno e larga área de superfície, bem como a superfície reativa, cristalinidade, propriedades elétricas, carga, forma, hidrofobicidade / hidrofilicidade e solubilidade. As nanopartículas superparamagnéticas de óxido de ferro (SPIONs) representam uma classe especial de nanopartículas biocompatíveis, apresentando um componente específico chamado núcleo de partículas magnéticas, que pode ser direcionado para um local específico usando magnetos externos. Estas nanopartículas apresentam uma boa biocompatibilidade com células humanas, como os macrófagos, e elevadas propriedades antimicrobianas. O principal objetivo desta tese foi observar a influência das SPIONs nos macrófagos e consequentemente o seu impacto nos biofilmes bacterianos. Os biofilmes de Staphylococcus aureus foram expostos aos macrófagos na presença e ausência das SPIONs e posteriormente analisados ao microscópio. As SPIONs foram internalizadas pelos macrófagos, tendo-se observado um decréscimo de cerca de 10% de sobrevivência de bactérias comparativamente com os ensaios em que se usou apenas macrófagos. Concluindo, a presença das SPIONs nos macrófagos aumenta a eficácia de remoção de biofilmes infeciosos de estafilococos, o que pode ter um grande impacto na prevenção e cura de infeções bacterianas.