Evaluation of new strategies to combat Staphylococcus aureus biofilm mediated infections in medical devices

Según recoge el estudio EPINE-EPS orientado a la recogida de datos de prevalencia de las infecciones nosocomiales en España, en el año 2017 alrededor de 62.000 pacientes adquirieron algún tipo de infección nosocomial durante su estancia en un centro hospitalario. La práctica médica actual resulta impensable sin la utilización de distintos dispositivos implantables tales como válvulas, catéteres venosos centrales, catéteres urinarios o prótesis articulares para el tratamiento de los pacientes. A pesar de todos sus beneficios, un aspecto negativo asociado a la utilización de dispositivos médicos invasivos es un mayor riesgo a sufrir infecciones por microorganismos que crecen adheridos a su superficie. Las infecciones relacionadas con dispositivos médicos suponen un porcentaje creciente y significativo de las infecciones nosocomiales, y provocan un incremento del gasto sanitario, así como una mayor morbilidad y mortalidad del paciente. Aunque, una gran variedad de microorganismos puede causar infecciones asociadas a implantes, Staphylococcus aureus y S. epidermidis ocupan un puesto muy destacado entre los agentes que con mayor frecuencia causan infecciones asociadas a dispositivos médicos. Su presencia en la piel humana facilita sus posibilidades de alcanzar la superficie del implante y por otro lado su elevada capacidad para adherirse a la superficie de materiales abióticos les permite adherirse irreversiblemente a su superficie. Una vez que la bacteria se ha adherido a la superficie, las bacterias comienzan a dividirse y secretar una matriz extracelular que las rodea formando lo que comúnmente se conoce como biofilm. La formación de biofilm incrementa la resistencia de las bacterias a los tratamientos antibióticos y a la acción del sistema inmune. En el caso de las infecciones producidas por S. aureus esta situación se agrava por la existencia de cepas resistentes a múltiples antibióticos, como meticilina y antibióticos glucopéptidos. En esta tesis hemos trabajado en distintas estrategias que podrían ayudar a reducir la incidencia de estas infecciones. En el primer capítulo, hemos estudiado cómo la modificación de la topografía de la superficie del biomaterial del implante médico puede reducir la adhesión bacteriana y la formación de biofilms. Para ello, hemos utilizado una metodología laser de interferencia directa (DLIP) para modificar la topografía de la superficie de poliestireno a escala submicrométrica. Los resultados han revelado que las estructuras micrométricas tridimensionales tienen un profundo impacto sobre la adhesión bacteriana. Los patrones tipo línea y pilar mejoran la adhesión de S. aureus, mientras que una microtopografía laminar irregular reduce la adhesión de S. aureus tanto en condiciones de cultivo estático, como de flujo continuo. Además, las superficies laminares mantienen la capacidad de inhibir la adhesión de S. aureus tanto cuando la superficie se cubre de proteínas del suero humano tras su implantación. En el segundo capítulo, nos hemos interesado en estudiar el papel que juegan los sistemas de dos componentes (TCS) de S. aureus en su adaptación para colonizar y sobrevivir en la superficie de los implantes médicos. Utilizando un modelo murino de infección por catéter in vivo y una colección de mutantes en cada uno de los TCS no esencial de S. aureus, investigamos el requerimiento de cada TCS para colonizar el catéter implantado. Entre los 15 mutantes en TCS no esenciales, el mutante arlRS ha exhibido la deficiencia más importante en su capacidad para colonizar catéteres implantados. Además, el mutante arlRS ha sido el único que ha presentado un déficit importante en la producción de PNAG, el principal exopolisacárido de la matriz del biofilm de S. aureus cuya síntesis está mediada por el locus icaADBC. Nuestros resultados indican que la regulación de la síntesis de PNAG por ArlRS se produce a través de la represión de IcaR, un represor transcripcional de la expresión del operón icaADBC. Así, la deficiencia en la colonización del catéter se restauraba cuando el mutante arlRS se complementó con el operón icaADBC. Estos resultados indican que ArlRS es un TCS clave para la formación de biofilm en la superficie de los catéteres implantados y que la activación de la producción del exopolisacáridos PNAG es, entre los muchos rasgos controlados por el sistema ArlRS, uno de los que mas contribuyen a la colonización del catéter. Por último, en el tercer capítulo abordamos la prevención de la formación de biofilm de S. aureus mediante el desarrollo de vacunas antibiofilm. Bajo la premisa de que en una infección causada por bacterias creciendo en biofilm, la interfaz entre el huésped y la bacteria es la matriz extracelular, analizamos el potencial de proteínas extracelulares secretadas a la matriz del biofilm para inducir una respuesta inmune protectora contra infecciones por S. aureus. Mediante el uso de técnicas proteómicas, caracterizamos los exoproteomas de la matriz del biofilm producido por dos cepas clínicas de S. aureus que producen biofilms de naturaleza exopolisacáridica o proteica. Los resultados han mostrado que con independencia de la naturaleza de la matriz del biofilm, existe un núcleo común de proteínas secretadas a la matriz de ambos tipos de biofilms. La inmunización con un extracto de exoproteínas de la matriz del biofilm induce una respuesta inmune humoral y la producción de interleuquinas IL-10 e IL-17 en un modelo de infección de ratón. Los anticuerpos producidos promueven la opsonofagocitosis y la muerte de S. aureus. Como consecuencia de la inducción del sistema inmune, los ratones inmunizados presentaban un recuento significativamente menor de bacterias en la superficie del implante y en el tejido circundante utilizando un modelo de infección con malla intraperitoneal. En conjunto, los datos de este trabajo muestran el potencial que las exoproteínas de la matriz del biofilm pueden tener como vacuna multivalente frente a infecciones causadas por biofilms de S. aureus.Este trabajo ha sido realizado dentro de los siguientes proyectos de investigación: 1.'Estudio de la formación de fibras amiloides como estructura para organizar la matriz de los biofilms bacterianos', SAF2015-74267-JIN, MINECO; 2. 'Descifrando las singularidades del exopolisacarido universal del biofilm (PNAG) y evaluación de su potencial biotecnologico', BIO2014‑53530‑R MINECO; 3. 'Nuevas estrategias para el control de infecciones nosocomiales', RTC‑2015‑3184-1, MINECO; 4. 'Estudio funcional de la familia de proteínas Bap en las interacciones bacteria‑bacteria y bacteria‑huesped en la mastitis por estafilococos', AGL2011‑23954, MINECO; 5. 'Estudio de la transferencia horizontal de genes y de la formación de biofilm a nivel de celula individual en Staphylococcus aureus', BIO2011‑30503‑C02‑02; 6. 'Desarrollo y evaluación de las propiedades antibacterianas de superficies con relieves nanoestructurados generados por direct laser interference pattering', IIQ14066.RI, Gobierno de Navarra.Programa Oficial de Doctorado en Biotecnología (RD 1393/2007)Bioteknologiako Doktoretza Programa Ofiziala (ED 1393/2007