Novel multifunctional bioactive metal-organic frameworks as new anti-biofilm agents

Abstract

As infeções nosocomiais estão a tornar-se cada vez mais recorrentes devido ao aumento de estirpes bacterianas resistentes aos antibióticos. Muitas vezes estas infeções estão associadas a biofilmes microbianos, o que complica o tratamento destas infeções. Além disso, os biofilmes podem formar-se em muitos tipos de superfícies, especialmente nos dispositivos médicos invasivos. Há assim uma necessidade de desenvolver materiais bioativos funcionais novos e eficazes que possam prevenir a formação de biofilmes. Uma alternativa às estratégias antibacterianas convencionais é proporcionada por estruturas bioativas, sejam polímeros de coordenação (CPs) ou estruturas metal-orgânicas (MOFs). Assim, este projeto de dissertação visa estudar a atividade antibacteriana de novos CPs/MOFs e materiais biopoliméricos dopados com esses compostos a fim de descobrir novos materiais com potencial para técnicas de revestimento para o tratamento, prevenção e redução de infeções associadas a dispositivos médicos invasivos. Os ensaios de triagem das estruturas bioativas em forma de pó revelaram ligandos orgânicos com potencial a serem estudados como elos de ligação na estrutura dos CPs e MOFs, uma vez que alguns deles apresentaram atividade antibacteriana contra Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus e Staphylococcus epidermidis, nomeadamente o ácido 2,5-furandicarboxílico (FDA), o ácido 5-sulfoisoftálico (5SIS) e o ácido dodecanodióico (DDDA). Testes mais detalhados demonstraram que os filmes de agarose e amido dopados com diferentes concentrações de ZnCl2 apresentaram um maior efeito antibacteriano contra as bactérias Gram-positivas. Os filmes de agarose e amido dopados com diferentes concentrações de [Ag2(SDBA)]n (TG1, MOF à base de prata) ação antibacteriana contra todas as espécies utilizadas, incluindo na prevenção da formação de biofilmes. O presente trabalho demonstrou o potencial antibacteriano e antibiofilme dos CPs/MOFs, sugerindo o uso dos mesmos como alternativa aos antibióticos para o tratamento e prevenção de biofilmes.

Nosocomial infections are becoming more recurrent due to the increase of antibiotic resistant strains. Often these infections are associated with microbial biofilms, which complicates the treatment of these infections. Furthermore, biofilms can form on many types of surfaces, especially on indwelling medical devices. Thus, there is a need to develop new and effective bioactive functional materials that can prevent biofilm formation. An alternative to conventional antibacterial strategies is provided by bioactive structures, either coordination polymers (CPs) or metal-organic frameworks (MOFs). Thus, this dissertation project aims to study antibacterial properties of novel CPs/MOFs and biopolymer materials doped with those compounds, in order to discover new potential materials for coating strategies for the treatment, prevention and reduction of infections associated with indwelling medical devices. Starting from a large collection of CPs/MOFs, the screening assays performed revealed organic ligands with promising potential to be studied as linkers for the CPs and MOFs, since some of them had antibacterial activity against Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus and Staphylococcus epidermidis, namely 2,5-furandicarboxylic acid (FDA), 5-sulfoisophthalic acid (5SIS) and dodecanedioic acid (DDDA). Further testing showed that agarose and potato starch biopolymers films doped with different concentrations of ZnCl2 demonstrated greater antibacterial action against Gram positive bacteria. Agarose and potato starch films doped with different concentrations of [Ag2(SDBA)]n (TG1, silver-based MOF) showed antibacterial activity against all tested bacteria, including in preventing biofilm formation. The present work demonstrated the antibacterial and antibiofilm potential of CPs/MOFs, suggesting their used as an alternative to antibiotics for the treatment and prevention of biofilms.