Chitosan/rhamnolipid nanoparticles formulation: a new alternative for Staphylococcus spp. control

Os nanomateriais com atividade antimicrobiana têm sido descritos como alternativa efetiva e inovadora devido às suas propriedades físico-químicas únicas. Nesse sentindo, o desenvolvimento de nanopartículas compostas por moléculas sustentáveis como os biopolímeros e biosurfatantes vêm despertando o interesse, uma vez que, são obtidas sem a necessidade de síntese química complexa, apresentam baixo custo e uma menor agressão ao meio ambiente. Entre esses compostos estão a quitosana e o ramnolipídeo. O presente estudo teve como objetivo desenvolver nanopartículas de quitosana/ramnolipídeo e avaliar a atividade antimicrobiana das moléculas individualmente e combinadas. A presença de ramnolipídeo na formação das nanopartículas de quitosana resultou em partículas menores, com tamanho médio de 287,8 &#177 6,2 nm, mais monodispersas, com índice de polidispersividade de 0,18 ± 0,02, estáveis com potencial zeta mais positivo (+60,9 &#177 1,6 mV), sugerindo que a presença de grupos amino livres na estrutura da quitosana é predominante na superfície das nanopartículas. As nanopartículas também apresentaram atividade antimicrobiana superior comparadas ao ramnolipídeo e quitosana frente a Staphylococcus spp., tanto na forma planctônica como séssil. A concentração inibitória mínima (CIM) e concentração bactericida mínima (CBM) das nanopartículas frente a S. aureus DSM 1104 foram de 14/19 &#181g mL-1 e 29/37 &#181g mL-1. Os valores de CIM e CBM para S. aureus ATCC 29213 foram de 29/37 &#181g mL-1 e 58/75 &#181g mL-1. As nanopartículas apresentaram uma CIM e CBM de 7/9 &#181g mL-1 e 14/19 &#181g mL-1 frente a S. epidermidis, respectivamente. A principal hipótese é que o efeito antimicrobiano ocorra através de interações eletrostáticas entre as nanopartículas carregadas positivamente e moléculas carregadas negativamente presentes na superfície celular bacteriana, aumentando a concentração local de quitosana e ramnolipídeo e facilitando a liberação de ambos os compostos nas células alvos. Entretanto, esse efeito não ocorreu em bactérias Gram-negativas provavelmente devido à resistência oferecida pela membrana externa à compostos anfifilícos como o ramnolipídeo. A quitosana e as nanopartículas de quitosana erradicaram as células presentes na superfície dos biofilmes, enquanto as nanopartículas de quitosana/ramnolipídeo foram capazes de eliminar a maior parte da população presente nos biofilmes reduzindo o número de células viáveis abaixo do limite de detecção nas concentrações de 58/75 &#181g mL-1 para ambas as linhagens de S. aureus DSM 1104 e S. epidermidis. Portanto, a combinação de ramnolipídeo com a quitosana oferece uma estratégia promissora no desenvolvimento de nanopartículas com baixa citotoxicidade que podem ser exploradas para aplicações futuras na indústria farmacêutica e indústria alimentícia.Nanomaterials have emerged as antimicrobial agents due to their unique physical and chemical properties. The development of nanoparticles composed of sustainable molecules such as biopolymers and biosurfactants have been awakening interest, as they can be obtained without the use of complex chemical synthesis and toxic materials. Among the compounds are chitosan and rhamnolipids. In this study, the development of chitosan/rhamnolipid nanoparticles and their antimicrobial activity were evaluated. Addition of rhamnolipid in the synthesis of chitosan nanoparticles led to smaller average size of 287.8 ± 6.2 nm and more monodispersed particles with polydispersity index of 0.18 ± 0.02 and a more positive surface charged (+60.9 ± 1.6 mV) with improved stability, suggesting that the presence of free amino groups of the chitosan structure is predominant on the surface of these nanoparticles. The positive particles charge interacted strongly with negative bacterial cells, and their antimicrobial effect against Staphylococcus spp. surpassed that of either rhamnolipid or chitosan alone, both against planktonic bacteria and biofilms. Minimum inhibitory concentration (MIC) and minimum bactericidal concentration (MBC) of chitosan/rhamnolipid nanoparticles against S. aureus DSM 1104 were 14/19 µg mL-1 and 29/37 µg mL-1. MIC and MBC values for S. aureus ATCC 29213 were 29/37 µg mL-1 and 58/75 µg mL-1. Nanoparticles showed a MIC and MBC of 7/9 µg mL-1 and 14/19 µg mL-1 for S. epidermidis. The hypothesis is that improved antibacterial efficacy is linked to the increased local delivery of chitosan and rhamnolipid at the cell surface to their targets in Gram-positive bacteria. However, Gram-negative bacteria showed resistance probably due to protective effect of outer membrane to the amphiphilic rhamnolipid. Chitosan and chitosan nanoparticles only kill bacteria in the upper parts of biofilms, while chitosan/rhamnolipid particles were more effective eradicating most sessile bacteria and reducing the number of viable cells below the detection limit, when chitosan/rhamnolipid nanoparticles concentration of 58/75 µg mL-1 was applied for both S. aureus DSM 1104 and S. epidermidis strains. The combination of chitosan and rhamnolipid offer a promising strategy to design functionalized nanoparticles with low cytotoxicity, which can be explored in pharmaceutical and food industries