Antifouling surfaces as a strategy to prevent microorganism’s adhesion on medical devices

Trabalho Final de Mestrado Integrado, Ciências Farmacêuticas, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2017As infeções associadas aos cuidados de saúde, ou infeções nosocomiais, ou ainda infeções hospitalares são um grande problema clinico, com impacto significativo na mortalidade e morbilidade e representam um elevado custo económicos para os sistemas de saúde. Na europa, o número estimado de doentes com infeções nosocomiais em 2013 foi de 4.2 milhões. Algumas das infeções hospitalares estão associadas ao usado de dispositivos médicos, como tubos endotraqueais, cateteres urinários e venosos. As práticas da medicina moderna levaram a um aumento da utilização destes dispositivos médicos invasivos. O aumento da sua utilização representa um fator de risco para o desenvolvimento destas infeções. A contaminação dos dispositivos médicos pode ocorrer por inoculação de microrganismos provenientes das mãos de staff médico e clinico. Contudo, é mais provável que ocorra por inoculação de microrganismos provenientes da pele ou mucosas do paciente aquando da implantação do dispositivo. Estas infeções resultam da interação entre fatores dos microrganismos, dispositivo médicos e do hospedeiro. No entanto, a capacidade dos microrganismos para aderir à superfície dos materiais e promover a formação de um biofilme é o fator mais importante na patogénese da infeção. Os biofilmes são comunidade estruturadas de microrganismos que conseguem aderir e crescer em superfícies bióticas e abióticas. Desta forma, estão protegidos do ambiente externo, incluindo componentes do sistema imunitário e antibióticos. Quando se suspeita de uma infeção associada a dispositivos médicos, o tratamento passa pela remoção ou substituição do dispositivo e/ou iniciar terapêutica antimicrobiana. Contudo, a suscetibilidade dos microrganismos aos antibióticos está diminuída. Assim, é mais lógico apostar em estratégias que previnam a formação de biofilmes. Apesar dos fatores associados aos microrganismos serem os mais importantes na patogénese da infeção, os fatores associados ao dispositivo médico são os mais modificáveis. Fatores como o tipo e forma do dispositivo podem favorecer a adesão microbiana. Assim, a investigação tem se focado em estratégias que visam a modificação do dispositivo de forma a prevenir a adesão de microrganismos, colonização e consequente formação de biofilmes. As estratégias preventivas podem ser distinguidas em estratégias anti-adesivas e antimicrobianas. As estratégias antimicrobianas baseiam-se na ligação superficial ou incorporação de substâncias antimicrobianas, como antibióticos, metais ou compostos de amónio quarternário. Dispositivos médicos funcionalizados com agentes antimicrobianos estão disponíveis comercialmente, contudo, a sua utilização deve ser monitorizada devido ao risco de toxicidade de desenvolvimento de resistência aos agentes utilizados. As estratégias anti-adesivas e baseiam-se na alteração das propriedades físico-químicas dos dispositivos, de modo a modificar as interações especificas e inespecíficas entre os microrganismos e a superfície do dispositivo. A adesão dos microrganismos às superfícies é influenciada pelas propriedade físico-químicas da superfície, como a carga e a hidrofobicidade. É também influenciada pelas condições do meio, como presença de proteínas e o pH. Assim, é necessário que estas superfícies consigam, também, inibir a adesão de outras biomoléculas. As propriedades anti-adesivas podem ser conferidas pela modificação química ou física (da topografia) da superfície. Ainda assim, não é possível desenvolver superfícies com adesão zero. Esta monografia foca-se maioritariamente no estudo das diferentes estratégias anti-adesivas, obtidas por modificação química, usadas em dispositivos médicos. Como estratégia anti-adesiva têm vindo a ser utilizados os polímeros anti-adesivos têm sido utilizados, os polímeros poli-hidrofílicos e os poli-zwiteriónicos. Ambas as classes de polímeros são compostas por polímeros eletricamente neutros, que conseguem diminuir as interações electroestáticos entre proteínas carregadas e os dispositivos médicos. Além disso, formam uma camada de hidratação à superfície que funciona como uma barreira física e energética, que previne a adsorção de proteínas. A camada de hidratação é formada por ligações de hidrogénio entre as moléculas de água presentes no meio e os grupos funcionais do dispositivo, no caso dos polímeros poli-hidrofílicos. Contudo, no caso dos polímeros poli-zwiteriónicos esta é formada por interações electroestáticas. As superfícies anti-adesivas podem ser obtidas por diferentes métodos, tais como monocamadas auto-organizadas, revestimento com hidrogel e polímeros em escova. O polietilenoglicol é um polímero neutro e hidrofílico e é o polímero mais usado e investigado para construir superfícies anti-adesivas. Este é utilizado para prevenir a adsorção de proteínas e a adesão de bactérias, tendo demonstrado conseguir inibir também a adesão de leveduras. O sucesso da sua ação depende do método de produção utilizado e da arquitetura do polímero. Apesar do PEG ser considerado uma referência no que diz respeito aos polímeros anti-adesivos, a sua ação, quando em contacto com fluidos fisiológicos, é diminuída ou mesmo perdida, uma vez que sofre degradação oxidativa quando na presença destes fluidos. Assim, o PEG não é apropriado para uma utilização a longo prazo. Por este motivo, outros polímeros e materiais têm sido estudados como eventuais alternativas. Algumas dessas alternativas passam pelo uso de polivinilpirrolidona, polibetaína, poli-oxazolinas, acrilatos polihidroxifuncionais, poliacrilamida, heparina e fosforilcolina. Estes revestimentos têm demonstrado, em testes realizados in vitro, bons resultados a inibir a adsorção de proteínas e a adesão de microrganismo e consequentemente a formação de biofilmes em testes realizados in vitro. O PVP é um polímero biocompatível, altamente hidratado e consegue repelir proteínas. Revestimentos com PVP conseguem inibir a formação de biofilme de algumas bactérias como E. coli. Devido às suas propriedades anti-adesivas, este polímero é utilizado como revestimento em dispositivos médicos, nomeadamente em cateteres urinários e cateteres venosos centrais. Por sua vez, polímeros de acrilatos polihidroxifuncionais também demonstraram a capacidade de reduzir a formação de biofilmes de algumas estirpes bacterianas, nomeadamente S. epidermidis e P. aeruginosa. Uma outra vantagem deste polímero é ser capaz de reduzir a adsorção de fibrinogénio e plaquetas. Além disso, apresenta elevada estabilidade mecânica e biológica. Devido a estas características, revestimentos como estes polímeros são utilizados em dispositivos médicos como cateteres urinários. As POXs possuem propriedades anti-adesivas semelhantes ao PEG, no entanto estas apresentam uma maior estabilidade em meio fisiológicos e oxidativo. Testes in vitro demonstraram que as POXs conseguem reduzir a formação de biofilmes de E. coli. Devido às suas propriedades anti-adesivas entes polímeros podem ser utilizados como revestimento de dispositivos médicos como próteses, implantes, entre outros. Em diferentes testes in vitro, dos acrilatos polihidroxifuncionais demonstraram que conseguem reduzir a adsorção de proteínas, como o fibrinogénio, e reduzir a adesão de bactérias. Estes polímeros podem ser aplicados a diversas superfícies, podendo, nomeadamente, ser aplicado como revestimentos de lentes intraoculares. Os polímeros de poliacrilamida demonstraram boas propriedades anti-adesivas em testes realizados em condições in vitro. Estes revestimentos conseguem inibir a adsorção de proteínas e células e diminuir a formação de biofilmes tanto de bactérias como de fungos. Polímeros de poliacrilamida podem ser utilizados em dispositivos médicos como lentes de contacto, cateteres urinários e próteses vocais. A heparina é um polissacarídeo natural, que devido às suas propriedades anticoagulantes e anti-adesivas têm sido amplamente utilizada para revestir dispositivos médicos, nomeadamente em dispositivos que estão em contacto com o sangue, como cateteres e enxertos vasculares. A fosforilcolina pode ser usada em polímeros anti-adesivos, uma vez que consegue reduzir a formação de biofilmes de várias estirpes bacterianas e fúngicas. Polímeros com fosforilcolina podem ser aplicados a diversos dispositivos médicos, tais como dispositivos de fixação óssea, stents coronários, pulmões artificiais, entre outros. Considerando que os polímeros anti-adesivos não conseguem inibir totalmente a adesão de microrganismos, é possível que estes que consigam aderir à superfície dos dispositivos formem um biofilme maduro. Assim, a conjugação de polímeros com propriedades anti-adesivas com agentes microbianos é uma abordagem promissora para o desenvolvimento de superfícies antibacterianas. Existem vários revestimentos que conjugam ambas as propriedades, nomeadamente polímeros de PEG funcionalizados com antibióticos. Os vários materiais abordados nesta monografia conseguem formar dispositivos médicos com superfícies anti-adesivas e assim ajudar a combater as infeções associadas a dispositivos médicos. No entanto estes têm características distintas entre si e por isso o material escolhido para revestimento um dispositivo médico deve ser selecionado tendo em consideração a sua aplicação especifica.Healthcare-associated infections are a major clinical problem with significant impact on mortality and morbidity and represent an economic burden of health systems. The number of patients with a HAIs, in 2013, in Europe, was estimated at 4.2 million. The use of invasive medical devices, such endotracheal tubes, urinary catheters, central venous catheters, mechanical heart valves and others represent a risk factor for these infections. Such infections are related to biofilm formation onto medical device surfaces. Biofilms are a structured community of microorganisms that can attach and grow on abiotic and biotic surfaces and are protected against antimicrobials and immune system components. Thus, the best approach against such infections is the prevention of biofilm formation. This monographic work aims to study the different antifouling strategies used to prevent biofilms formation on medical devices. The preventive approaches can be divided into antifouling and antimicrobial strategies. Antimicrobial strategies are based on the incorporation or surface bonding of antimicrobial substances, such as antibiotics. Antifouling strategies are based on the modification of basic polymers to develop polymers with new surface properties. PEG is the gold standard of the antifouling polymers however, has been reported that is not appropriate to long-term applications. Thus, several materials such PVP, POXs, polybetaines, poly (hydroxyfunctional acrylates), PAAm, heparin and phosphorylcholine have been studied for anti-adhesive applications and showing to be able to reduce protein adsorption, cell adhesion and bacterial attachment and consequently reduce biofilm formation. Nevertheless, more studies are necessary to assess their efficacy under real physiological conditions. Various antifouling polymers are already being applied in medical devices such as catheters, orthopedic implants, dental implants, vascular grafts, contact lenses, among others. The drawback is that despite these polymers being able to reduce/delay biofilm formation on medical device surfaces, a few microorganisms can eventually adhere and form a biofilm. Another interesting approach is the possible association of theses coatings with antimicrobial agents to improve the antibiofilm properties of the material. Antifouling coatings are different from each other, thus the type of coating should be adapted for a specific application