Study of the susceptibility to antibiotics of cells released from Staphylococcus epidermidis biofilms

Abstract

Worldwide, Staphylococcus epidermidis has been recognized as a leading cause of several clinically relevant infections, primarily associated with its notable ability to colonize surfaces and form biofilms, especially in the surface of medical indwelling devices. The formation of bacterial biofilms, which is a major concern in health care systems due to their high tolerance to antibiotics, may be divided in three mains stages: 1) adhesion, 2) maturation and 3) biofilm disassembly. During the last stage, cells are released from the biofilm to the surrounding environment by both active and passive mechanisms, often being associated with the development of serious complications as bacteremia and embolic events of endocarditis. Despite the clinical relevance of biofilm-released cells (Brc), disassembly remains the least studied stage of the biofilm lifecycle and little is known concerning the phenotypic changes that these cells undergo after being released from the biofilm. Thus, this study aimed to provide a better characterization of S. epidermidis Brc phenotype, in particular its susceptibility to different classes of antibiotics (cell wall, nucleic acids and protein synthesis inhibitors). By directly quantifying the susceptibility of Brc and comparing to that of biofilm and stationary planktonic cells, this study allowed to demonstrate that Brc exhibit a distinct antibiotic tolerance profile. Moreover, it was found that Brc seem to have a transient phenotype, strengthening the vision of a biofilm lifecycle with individual cell physiology changing overtime. Overall, this study provided some clinically relevant outcomes in the pathogenesis of biofilm-related infections, demonstrating that the metabolic state of S. epidermidis cells has an important impact on antimicrobial susceptibility, and this is not only related to the distinct features of intact biofilms and planktonic cells. A better characterization of the Brc phenotype may help in the development of more efficient therapeutic measures against S. epidermidis biofilm-related infections.

A espécie Staphylococcus epidermidis tem sido reconhecida, a nível mundial, como uma das principais causas de infeções clinicamente relevantes, principalmente devido à sua capacidade eminente para colonizar superfícies e formar biofilmes, especialmente em dispositivos médicos invasivos. A formação de biofilmes bacterianos, que está associada a um aumento da tolerância a antibióticos, pode ser dividida em três etapas: 1) adesão, 2) maturação e 3) dispersão do biofilme. Durante a última etapa, as células são libertadas do biofilme para o ambiente envolvente por mecanismos ativos e passivos, sendo frequentemente associadas ao desenvolvimento de complicações sérias como bacteriemia e eventos embólicos relacionados com endocardite. Apesar da relevância clínica da dispersão das células libertadas do biofilme (Brc), esta etapa continua a ser a menos estudada do ciclo de vida do biofilme e pouco é sabido acerca das alterações fenotípicas das Brc. Assim, este estudo teve como objetivo proporcionar uma melhor compreensão acerca do fenótipo das Brc de S. epidermidis, em particular a sua suscetibilidade a diferentes classes de antibióticos (inibidores da síntese da parede celular, de ácidos nucleicos e de proteínas). Ao quantificar diretamente a suscetibilidade das Brc em comparação à das células do biofilme e planctónicas estacionárias, este estudo permitiu demonstrar que as Brc exibem um perfil distinto de tolerância aos antibióticos. Adicionalmente, foi verificado que as Brc parecem apresentar um fenótipo transiente, reforçando a ideia de um ciclo de vida do biofilme com uma particular fisiologia das células que é alterada ao longo do tempo. De uma forma geral, este estudo forneceu conclusões clinicamente relevantes acerca da patogénese de infeções associadas aos biofilmes, demonstrando que o estado metabólico das células de S. epidermidis tem um impacto importante na suscetibilidade a antimicrobianos, facto que não está apenas relacionado com as caraterísticas distintas dos biofilmes intactos e das células planctónicas. Uma melhor caracterização do fenótipo das Brc pode auxiliar no desenvolvimento de medidas terapêuticas mais eficientes contra infeções relacionadas com biofilmes de S. epidermidis.