A lipid-based bioengineered approach for Helicobacter pylori eradication

Abstract

Helicobacter pylori é uma bactéria que coloniza a mucosa gástrica de metade da população mundial, sendo o principal fator etiológico para o desenvolvimento do cancro do estômago. Devido à sua crescente resistência a antibióticos, há a necessidade de desenvolver novos tratamentos para a sua erradicação. Assim, foi desenvolvida uma nova estratégia de bioengenharia que pretende tirar partido de características únicas desta bactéria para promover a sua erradicação. Para tal, esta estratégia foi primeiro validada em superfícies modelo de ouro para obter monocamadas auto-estruturadas (Self-Assembled Monolayers - SAMs) funcionalizadas com lípidos. Estas foram depois caracterizadas por X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), elipsometria e ângulo de contacto, confirmando a formação de SAMs. Após 2h de incubação com H. pylori J99 (estirpe altamente patogénica) em diferentes meios, concluiu-se que esta demonstra adesão específica para as superfícies modelo funcionalizadas. O racional validado em monocamadas foi depois traduzido para um sistema biocompatível 3D, nanopartículas (NPs), sendo a funcionalização confirmada pela caracterização por dynamic light scattering. A estirpe H. pylori J99, teve a sua viabilidade significativamente afetada quando exposta às nanopartículas desenvolvidas, chegando mesmo a obter-se erradicação total em algumas concentrações testadas. Relativamente a bactérias representativas do microbioma gastro intestinal (Escherichia coli e Lactobacillus acidophilus), as NPs desenvolvidas não interferiram com o seu crescimento/viabilidade, reforçando a seletividade desta abordagem. Os ensaios de citotoxicidade com a linha celular de adenocarcinoma gástrico (AGS) demonstraram também a sua citocompatibilidade de acordo com a norma ISO10993-5:2009. Finalmente, um composto análogo ao previamente usado foi testado, mas não foi verificada atividade contra a H. pylori.

Helicobacter pylori is a Gram-negative bacterium that colonizes the gastric mucosa of half of the world’s population, being considered the main etiological factor for gastric cancer development. Due to its increasing resistance to antibiotics, there is a need to develop new treatments for its eradication. With this, a new bioengineered strategy grounded on characteristics specific of this bacterium was developed to promote its eradication. This model was first applied in the form of immobilized lipids on gold model surfaces to attain Self Assembled Monolayers (SAMs). These were characterized via X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), ellipsometry and optical contact angle, which confirmed the successful formation of SAMs. After 2h of incubation with H. pylori J99 (highly pathogenic strain) with different media, it was concluded that the bacterium showed specific adhesion to the model surfaces. This rational was then applied onto a biocompatible 3D system, nanoparticles (NP), being the successful functionalization confirmed by dynamic light scattering. H. pylori J99 viability was significantly affected after exposure to the designed nanoparticles, even reaching full clearance in some of the concentrations tested. Regarding bacteria representative of the gut microbiome (Escherichia coli and Lactobacillus acidophilus), there was no impact on their growth/viability after 2h of incubation with the NPs, reinforcing the selectivity of this approach. Cytotoxic assays using human gastric adenocarcinoma (AGS) cell line also showcased their cytocompatibility, according to ISO 10993-5:2009. Finally, an analogue compound was tested against H. pylori J99 but no effect on its growth was noticed.