Multi-species biofilms in bacterial vaginosis: ecological interactions and susceptibility to novel antimicrobial agents

Abstract

A vaginose bacteriana (VB), a causa mais comum de distúrbio vaginal, está associada a complicações ginecológicas e obstétricas graves. Durante a VB, um biofilme polimicrobiano é formado no epitélio vaginal, formado principalmente por espécies de Gardnerella, mas contendo também diversos outros microrganismos anaeróbios. No entanto, pouco se sabe sobre o papel destes microrganismos no desenvolvimento de VB, sendo, no entanto, evidente que os biofilmes polimicrobianos de VB apresentam uma maior capacidade de sobreviver ao tratamento clássico por antibióticos. Por essa razão, a busca por novas terapias contra VB tem vindo a aumentar. Nesta tese, investigou-se as interações entre Gardnerella vaginalis e outras espécies associadas à VB, com o objetivo de compreender como estas interações afetam a formação de biofilmes e qual o impacto no tratamento antimicrobiano. Foram usados dois modelos distintos de formação de biofilmes triplos, o que permitiu concluir que, in vitro, G. vaginalis é a espécie microbiana que constituiu a maior parte da biomassa de todos os consórcios testados, em ambos os modelos. Verificou-se também que, em alguns dos consórcios, a capacidade antimicrobiana quer de antibióticos comuns, quer do óleo essencial (OE) obtido da planta Thymbra capitata, sofreram reduções de atividade, o que ajuda a explicar a elevada taxa de recorrência nos casos de VB. No global deste estudo, destacou-se (i) o papel central da Gardnerella na formação de biofilmes polimicrobianos associados à VB, (ii) como as interações entre bactérias em biofilmes polimicrobianos impactam a formação de biofilme e a suscetibilidade antimicrobiana, e (iii) o potencial antimicrobiano do OE de T. capitata contra biofilmes polimicrobianos associados à VB. Os resultados obtidos nesta tese podem ajudar a desenvolver novas abordagens terapêuticas com base em OE de T. capitata, a fim de prevenir VB e reduzir a sua recorrência.

Bacterial vaginosis (BV), the most common cause of vaginal discharge, is associated with serious gynaecologic and obstetric complications. The hallmark of BV is the presence of a polymicrobial biofilm on the vaginal epithelium, presumably initiated and mainly formed by Gardnerella species. However, the BV biofilm is also populated by many other anaerobes, but very little is known about their role in BV development. It has been shown that this polymicrobial biofilm may increase the survival of Gardnerella and other BV-associated species when exposed to antibiotics, as such causing high recurrence rates of BV. This triggered the interest in exploring agents that have been claimed to disrupt biofilms, such as plant-derived products, namely Thymbra capitata essential oil (EO). In this thesis, we investigated the interactions between Gardnerella vaginalis and other BV-associated species in BV biofilms, aiming to understand how they impact BV development and treatment outcome. First, two in vitro triple-species biofilm formation models were used, with and without allowing G. vaginalis to form an early biofilm before adding the other two species. The data from this study revealed that independent of the model used, all species were able to form triple-species biofilms, in which G. vaginalis was always the predominant species. Interestingly, we observed that in some triple-species consortia, synergistic interactions affected the antibiotic treatment outcome, leading to an enhanced tolerance. Second, when applying T. capitata EO against multi-species biofilms consisting of six cultivable BVassociated species, we observed that the interactions between the species also influenced, to some extent, the EO antimicrobial activity. The data collected in this study further highlight (i) the pivotal role of Gardnerella in BV polymicrobial biofilms, (ii) how interactions between bacteria in multi-species biofilms impact the biofilm formation and antimicrobial susceptibility, and (iii) the antimicrobial potential of T. capitata EO against multi-species BVassociated biofilms. These findings could help to further shape novel treatment approaches based on T. capitata EO in order to prevent BV and reduce its recurrence.