Strategies to combat infections of Acinetobacter baumannii biofilms

Abstract

Acinetobacter baumannii has been emerging as a serious nosocomial pathogen in Portugal and worldwide, being implicated in many opportunistic infections such as ventilator-associated pneumonia, bacteremia, meningitis and urinary tract infections. The development of resistance by this microorganism to most classes of antibiotics, and its high mortality rate (19-54 %) makes A. baumannii outbreaks frightening for both patients and healthcare providers. With this in perspective, the main objective of this work was to find strategies to combat A. baumannii infections, particularly those involving biofilms, using antibiotics and bacteriophages (phages). Three antibiotics (Ampicillin, Kanamycin and Ciprofloxacin) were tested, with the determination of the minimum inhibitory concentration (MIC) and minimum biofilm eradication concentrations (MBEC) against A. baumannii. The phage Aba1 was also evaluated at different multiplicities of infection (1 and 10) and periods of time (4 h and 24 h) on biofilms. Then, a recent therapy – the Phage-Antibiotic combination – was applied, to evaluate possible synergic effects with the antibiotics. Additionally, a new strategy was evaluated to fight A. baumannii biofilms, consisting on the stepwise addition of antibiotics and/or phages. In this work, Ciprofloxacin was the most effective of the antibiotics tested against A. baumannii biofilms, according to the MBEC values obtained. Furthermore, the addition of phage Aba1 did not have any effect on the activity of this antibiotic, contrarily to the synergic effect obtained with Ampicillin or Kanamycin, opening new possibilities for the application of these antibiotics. The novel treatment strategies here evaluated had its best results with Kanamycin. In biofilms, the addition of Kanamycin at 0h, 12h and 24h resulted in a 5 log reduction of the biofilm cells, and the use of phage at 0h followed by Kanamycin at 12h and 24h resulted in a 3 log reduction. Similar results were obtained for planktonic cells. The promising results of the novel strategy here presented should be further explored for the combat of A. baumannii infections. Indeed, with the impressive capacity of A. baumannii to acquire resistance to new antibiotics, it is crucial to develop innovative strategies for the efficient application of old antibiotics.

Acinetobacter baumannii é um cocobacilos Gram-negativo que emergiu como um sério agente patogénico nosocomial em Portugal e em todo o mundo, estando envolvido em infeções oportunistas tais como pneumonia associada a ventiladores, bacteremia, meningite e infeções do trato urinário. O desenvolvimento de resistência por este microrganismo à maioria das classes de antibióticos, e a elevada taxa de mortalidade (19-54 %) torna os seus surtos intimidantes tanto para pacientes como para prestadores de cuidados de saúde. Com isto em perspetiva, o objetivo principal do presente trabalho consistiu na procura de estratégias para combater infeções de A. baumannii, particularmente as que envolvem biofilmes, usando antibióticos e bacteriófagos (fagos). Foram testados três antibióticos, com a determinação da concentração mínima inibitória (MIC) e a concentração mínima de erradicação de biofilmes (MBEC) em A. baumannii; e a ação do fago Aba1 a diferentes multiplicidades de infeção (1 e 10) e tempos de ação (4h e 24h). Foi ainda aplicada uma terapia recente, de combinação Fago-Antibiótico, para avaliar possíveis efeitos sinérgicos do fago Aba1 com os antibióticos. Adicionalmente, foi testada uma nova estratégia para o combate de biofilmes de A. baumannii, através da adição faseada de antibióticos e/ou fagos. Neste estudo a Ciprofloxacina demonstrou ser o antibiótico mais eficaz contra biofilmes de A. baumannii. A adição de fago não teve qualquer efeito na ação deste antibiótico, contrariamente ao efeito sinérgico obtido com Ampicilina ou Canamicina, abrindo nova possibilidades de aplicação para estes antibióticos. A nova estratégia de tratamento aqui testada obteve os seus melhores resultados com a Canamicina. Em biofilmes, a adição de Canamicina às 0 h, 10 h e 24 h resultou numa redução de 5 log nas células viáveis, e o uso de fago às 0h seguido de Canamicina às 10 h e 24 h resultou numa redução de 3 log. Resultados similares foram obtidos para células planctónicas. Os resultados promissores da estratégia apresentada deverão ser explorados para o combate de infeções de A. baumannii. Com a impressionante capacidade da A. baumannii para adquirir resistência a novos antibióticos, é crucial o desenvolvimento de estratégias inovadoras para a aplicação eficaz de antibióticos ultrapassados.