New therapies for COPD-related pulmonary infections unveiled by inspecting bacterial interactions

Abstract

Anualmente, milhões de pessoas morrem devido à doença pulmonar obstrutiva crónica (DPOC). Esta doença incurável é marcada por exacerbações que são principalmente provocadas por bactérias formadoras de biofilmes, onde NTHi e a sua interação com outras bactérias aumentam a resistência aos agentes antimicrobianos. Portanto, entender o papel das bactérias e das suas interações na DPOC é crucial para o desenvolvimento de novos fármacos capazes de combater a resistência destas aos antibióticos. O principal objetivo desta dissertação consistiu no estudo das condições ótimas de crescimento de biofilmes de H. influenzae e de S. aureus e das interações bacterianas que se estabelecem nesses biofilmes, bem como a avaliação da suscetibilidade das duas espécies a uma seleção de péptidos antimicrobianos (AMPs). O impacto da renovação do meio de cultura em biofilmes de H. influenzae revelou inexistência de células cultiváveis quando este não foi renovado às 24 h, possivelmente devido a metabolitos tóxicos, ao esgotamento de nutrientes, ou à existência de células viáveis mas não cultiváveis. Os resultados demonstraram que as diferenças no crescimento de H. influenzae em diferentes marcas do meio de crescimento (Oxoid, Liofilchem e VWR) podem dever-se à qualidade do meio usado, dado que o meio mais caro (Oxoid) foi o que resultou em menos variabilidade, tanto em biofilmes de uma ou duas espécies. Portanto, foi decidido usar esta marca para os ensaios subsequentes. Os resultados da dinâmica populacional de biofilmes mistos de H. influenzae com diferentes concentrações iniciais de S. aureussugerem que ambas as espécies podem estar a beneficiar o crescimento uma da outra. Do estudo da influência da colonização sequencial nos biofilmes, não se verificou a influência das espécies colonizadoras na formação dos biofilmes de outra espécie. Na avaliação do efeito dos exoprodutos produzidos por uma espécie na formação de biofilmes da outra espécie, não se observaram quaisquer efeitos, pelo que a concentração dos exoprodutos pode ter sido insuficiente para causar um impacto ou as células do biofilme podem não ser responsivas aos exoprodutos produzidos. Por fim, o AMP tachyplesin I demonstrou melhor ação bacteriostática e bactericida contra ambas as estirpes em estudo, revelando resultados promissores para trabalhos futuros. Os resultados deste trabalho permitiram extrair informações úteis, nomeadamente condições ótimas de crescimento e tipo de interações estabelecidas in vitro, que ajudarão o grupo de pesquisa na busca de potenciais agentes antimicrobianos para combater os biofilmes formados por estas bactérias.

Every year, millions of people die from chronic obstructive pulmonary disease (COPD). This incurable disease is marked by exacerbations that are mainly caused by biofilm-forming bacteria, where NTHi and its interaction with other bacteria increase resistance to antimicrobial agents. Therefore, understanding the role of bacteria and their interactions in COPD is crucial for the development of new drugs capable of combating their resistance to antibiotics. The main objective of this dissertation was to study the optimal conditions for the growth of H. influenzae and S. aureus biofilms and the bacterial interactions that are established in these biofilms, as well as the evaluation of the susceptibility of the two species to a selection of antimicrobial peptides (AMPs). The impact of renewing the culture medium on H. influenzae biofilms revealed the absence of culturable cells when the medium was not renewed after 24 h, possibly due to toxic metabolites, nutrient depletion, or the existence of viable but non-culturable cells. The results showed that the differences in H. influenzae growth in different brands of growth medium (Oxoid, Liofilchem, and VWR) could be due to the quality of the medium used, given that the most expensive medium (Oxoid) was the one that resulted in less variability, both in biofilms of one or two species. Therefore, it was decided to use this brand for subsequent assays. The population dynamics results of mixed H. influenzae biofilms with different initial concentrations of S. aureus suggest that both species could be benefiting each other's growth. From the study of the influence of sequential colonization on biofilms, the influence of colonizers species on the formation of biofilms of another species was not verified. In assessing the effect of exoproducts produced by one species on biofilm formation by another species, no effects were observed, so the concentration of exoproducts may have been insufficient to cause an impact, or the biofilm cells may not be responsive to the exoproducts produced. Finally, AMP tachyplesin I showed better bacteriostatic and bactericidal action against both strains under study, revealing promising results for future work. The results of this work allowed extracting useful information, namely optimal growth conditions and type of interactions established in vitro, which will help the research group in the search for potential antimicrobial agents to combat the biofilms formed by these bacteria.