Noves estratègies no antibiòtiques pel tractament d’infeccions causades per microorganismes multiresistents i creixent en biopel·lícules

Abstract

Introducció: la resistència als antimicrobians (RAM) es considera una de les grans amenaces globals del sistema de salut i provoca un augment de la morbiditat i la mortalitat dels pacients, de l’estada hospitalària i dels costos de salut associats. Si aquesta situació no es reverteix, s’estima que al 2050 moriran 300 milions de persones al món degut a la RAM i provocarà una pèrdua de 100 trilions de dòlars a l’economia global. Un dels mecanismes de resistència que tenen alguns microorganismes és la capacitat d’adherir-se a superfícies, com dispositius mèdics, i formar la biopel·lícula. Aquesta comunitat de microorganismes els protegeix de l’acció dels agents antimicrobians i dificulta el seu tractament, fent que en molts casos s’hagi de retirar el dispositiu mèdic infectat. Davant d’aquesta situació, existeix una necessitat clara de trobar estratègies antimicrobianes amb nous mecanismes d’acció per combatre les infeccions causades per microorganismes amb RAM i creixent en biopel·lícules. L’objectiu fonamental dels treballs de la tesi doctoral ha estat determinar l’eficàcia de tres estratègies tecnològiques no antimicrobianes per prevenir o tractar infeccions causades per microorganismes amb RAM i creixent en biopel·lícules. Materials i mètodes: s’han utilitzat soques clíniques multiresistents (MDR) i extremadament resistents (XDR) d’Acinetobacter baumannii, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus resistent a meticil·lina (SARM), S. epidermidis, soques fúngiques d’Aspergillus fumigatus i soques de Candida albicans, C. glabrata i C. parapsilosis. S’han realitzat estudis de sensibilitat de l’àcid hipoclorós (HClO), de la hipertèrmia i de les nanopartícules de plata conjugades amb amikacina (AgNPs_mPEG_AK) i combinades amb hipertèrmia enfront microorganismes creixent en planctònic i en biopel·lícules. També s’ha avaluat l’eficàcia del segellat de catèter amb la combinació de daptomicina i HClO en un model d’infecció relacionada amb el catèter en conill i l’eficàcia de la hipertèrmia per a prevenir la formació de la biopel·lícula a l’interior de tubs endotraqueals en un model experimental en conill. Resultats: l’HClO ha demostrat ser un potent agent antimicrobià d’ampli espectre, ja que té una elevada eficàcia enfront soques bacterianes i fúngiques creixent en suspensió i en biopel·lícules. A més, el segellat de catèter amb la combinació de daptomicina i HClO ha permès esterilitzar en només 5 h els catèters infectats amb S. epidermidis en el model experimental en conill. L’aplicació d’hipertèrmia ha permès prevenir la formació de la biopel·lícula in vitro sobre discs de clorur de polivinil i in vivo a l’interior de tubs endotraqueals infectats amb P. aeruginosa o K. pneumoniae en un model d’intubació en conill. Finalment, l’aplicació d’AgNPs_mPEG_AK combinades amb hipertèrmia ha reduït significativament el creixement de soques creixent en suspensió i en biopel·lícules en comparació amb els altres tractaments provats. Conclusions: s’ha pogut demostrar l’eficàcia de tres estratègies no antibiòtiques per la prevenció i el tractament de les infeccions causades per microorganismes MDR o XDR i creixent en biopel·lícules. Aquestes noves teràpies podrien millorar el pronòstic de pacients amb infeccions amb escasses opcions terapèutiques, reduir l’ús dels antibiòtics en la pràctica clínica i així contribuir a la disminució de la freqüència de la RAM.

Introducción: la resistencia a los antimicrobianos (RAM) se considera una de las mayores amenazas globales del sistema de salud y provoca un aumento de la morbididad y la mortalidad de los pacientes, de la estancia hospitalaria y de los costes de salud asociados. Si esta situación no se revierte, se estima que en 2050 morirán 300 millones de personas en el mundo debido a la RAM y ésta provocará una pérdida de 100 trillones de dólares en la economía global. Uno de los mecanismos de resistencia que tienen algunos microorganismos es la capacidad de adherirse a superficies, como dispositivos médicos, y formar la biopelícula. Esta comunidad de microorganismos les protege de la acción de los agentes antimicrobianos y dificulta su tratamiento, provocando que en muchos casos se tenga que retirar el dispositivo médico infectado. Frente a esta situación, existe una clara necesidad de desarrollar nuevas estrategias antimicrobianas con nuevos mecanismos de acción para combatir las infecciones causadas por microorganismos con RAM y creciendo en biopelículas. El objetivo fundamental de los trabajos de la tesis doctoral ha sido determinar la eficacia de tres estrategias tecnológicas no antimicrobianas para prevenir o tratar infecciones causadas per microrganismos con RAM y creciendo en biopelículas. Materiales y métodos: se han utilizado cepas clínicas multirresistentes (MDR) y extremadamente resistentes (XDR) de Acinetobacter baumannii, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus resistente a meticilina (SARM), S. epidermidis, cepas fúngicas de Aspergillus fumigatus y cepas de Candida albicans, C. glabrata y C. parapsilosis. Se han realizado estudios de sensibilidad del ácido hipocloroso (HClO), de la hipertermia y de las nanopartículas de plata conjugadas con amikacina (AgNPs_mPEG_AK) y combinadas con hipertermia frente a microorganismos creciendo en planctónico y en biopelículas. También se ha evaluado la eficacia del sellado de catéter con la combinación de daptomicina y HClO en un modelo de infección relacionada con el catéter en conejo y la eficacia de la hipertermia para prevenir la formación de la biopelícula en el interior de tubos endotraqueales en un modelo experimental en conejo. Resultados: el HClO ha demostrado ser un potente agente antimicrobiano de amplio espectro, ya que tiene una elevada eficacia frente a cepas bacterianas y fúngicas creciendo en suspensión y en biopelículas. Además, el sellado de catéter con la combinación de daptomicina y HClO ha permitido esterilizar en solo 5 h los catéteres infectados con S. epidermidis en el modelo experimental en conejo. La aplicación de hipertermia ha permitido prevenir la formación de la biopelícula in vitro sobre discos de cloruro de polivinilo e in vivo en el interior de tubos endotraqueales infectados con P. aeruginosa o K. pneumoniae en un modelo de intubación en conejo. Finalmente, la aplicación de AgNPs_mPEG_AK combinadas con hipertermia ha reducido significativamente el crecimiento de cepas en suspensión y formando biopelículas en comparación con los otros tratamientos probados. Conclusiones: se ha podido demostrar la eficacia de tres estrategias no antibióticas para la prevención y el tratamiento de las infecciones causadas por microrganismos MDR o XDR y creciendo en biopelículas. Estas nuevas terapias podrían mejorar el pronóstico de pacientes con infecciones con escasas opciones terapéuticas, reducir el uso de los antibióticos en la práctica clínica y así contribuir a la disminución de la incidencia de la RAM.

Introduction: Antimicrobial resistance (AMR) is considered one of the greatest global threats to the healthcare system and causes an increase in patient morbidity and mortality, in hospital stays and in associated healthcare costs. If this situation is not reversed, it is estimated that by 2050, 300 million people will die worldwide due to AMR and it will cause a loss of 100 trillion dollars to the global economy. One of the resistance mechanisms that some microorganisms have is the ability to adhere to surfaces, such as medical devices, and form a biofilm. This community of microorganisms protects them from the action of antimicrobial agents and hinders their treatment, leading in many cases to the removal of the infected medical device. In front of this situation, there is a clear need to develop new antimicrobial strategies with new mechanisms of action to combat infections caused by microorganisms with AMR and growing in biofilms. The main objective of this doctoral thesis was to determine the efficacy of three non-antimicrobial technological strategies to prevent or treat infections caused by microorganisms with AMR and growing in biofilms. Materials and methods: clinical multidrug-resistant (MDR) and extensively drug-resistant (XDR) strains of Acinetobacter baumannii, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa, methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA), S. epidermidis, fungal strains of Aspergillus fumigatus and strains of Candida albicans, C. glabrata and C. parapsilosis were studied. Susceptibility studies of hypochlorous acid (HClO), hyperthermia and silver nanoparticles conjugated with amikacin (AgNPs_mPEG_AK) and combined with hyperthermia were carried out against microorganisms growing in planktonic and in biofilms. We also evaluated the efficacy of the antibiotic lock technique (ALT) using the combination of daptomycin and HClO in a rabbit model of catheter-related infection and the efficacy of hyperthermia to prevent biofilm formation inside endotracheal tubes in an experimental rabbit intubation model. Results: HClO has proved to be a potent broad-spectrum antimicrobial agent, since it is highly effective against bacterial and fungal strains growing in planktonic and in biofilms. In addition, ALT using the combination of daptomycin and HClO has sterilized all the catheters infected with S. epidermidis in the experimental rabbit model in only 5 h. The application of hyperthermia prevented biofilm formation in vitro on polyvinyl chloride disks and in vivo inside endotracheal tubes infected with P. aeruginosa or K. pneumoniae in a rabbit intubation model. Finally, the application of AgNPs_mPEG_AK combined with hyperthermia has significantly reduced the growth of strains growing in planktonic and in biofilms compared to the other treatments tested. Conclusions: we demonstrated the efficacy of three non-antibiotic strategies for the prevention and treatment of infections caused by MDR or XDR microorganisms growing in biofilms. These new therapies could improve the prognosis of patients with infections with few therapeutic options, reduce the use of antibiotics in clinical practice and thus contribute to a decrease in the frequency of AMR.