Engineered biopolymeric scaffolds for species targeted antibacterial and antibiofilm action in chronic wounds

Abstract

As feridas crónicas são um problema de saúde em todo o mundo, causadas pela inflamação prolongada e reparação tecidual comprometida. Estas lesões que cicatrizam de forma lenta e que por vezes não chegam a cicatrizar podem ser causadas por várias condições subjacentes, como diabetes, insuficiência venosa, úlceras por pressão ou infeções bacterianas, especialmente por bactérias resistentes a antibióticos como Pseudomonas aeruginosa. Os tratamentos atuais incluem curativos, desbridamento e antibióticos, mas a crescente prevalência de resistência a antibióticos tornou-os menos eficazes. Terapias alternativas, como a terapia com bacteriófagos (fagos), estão a ser exploradas como uma solução para controlar infeções bacterianas em feridas crónicas. O objetivo deste estudo foi desenvolver um filme biopolimérico que incorpora fagos e ε-poli-lisina (PLL) como antimicrobianos para uso no tratamento de feridas infetadas por P. aeruginosa. Foram estabelecidos três objetivos específicos: i) caracterização da eficácia dos fagos contra isolados clínicos de P. aeruginosa, ii) preparação e caracterização de filmes biodegradáveis e bioativos de gelatina-alginato (GA) e gelatina-alginato/gelatina (GA/G) de camada dupla, iii) avaliação da atividade antimicrobiana dos filmes desenvolvidos contra biofilmes de P. aeruginosa usando para tal modelos experimentais diferentes. Foram isolados e caracterizados fagos distintos de águas residuais por tratar ou da formulação Sextaphage (Microgen). A combinação de todos os cinco fagos, três isolados de águas residuais e dois da formulação Russa, surtiu numa melhor redução na virulência das bactérias e uma frequência menor de variantes resistentes em culturas planctónicas. Dois fagos foram incorporados nos filmes biopoliméricos (vB_PaeM_SMS21 e vB_PaeP_SPCB) e afetaram significativamente o crescimento de P. aeruginosa. Os fagos mantiveram-se viáveis por 12 semanas quando armazenados sob condições de vácuo e refrigeração a 4 ºC. Em suma, os filmes desenvolvidos são uma abordagem promissora para inibir e controlar feridas infetadas por P. aeruginosa. Serão necessários mais estudos com otimização e refinamento de técnicas para aumentar o potencial terapêutico desta estratégia inovadora.

Chronic wounds are a significant healthcare issue worldwide, caused by prolonged inflammation and impaired tissue repair. These non-healing lesions can be caused by various underlying conditions such as diabetes, venous insufficiency, pressure ulcers, or bacterial infections, particularly by antibioticresistant bacteria like Pseudomonas aeruginosa. Current treatments include wound dressings, debridement, and antibiotics, but the increasing prevalence of antibiotic resistance has made them less effective. Alternative therapies, such as bacteriophage therapy, are being explored as a potential solution to control bacterial infections in chronic wounds. This study aimed to develop a biopolymeric scaffold that incorporates phages and ε-poly-L-lysine (PLL) as antimicrobials for the treatment of P. aeruginosa-infected wounds. Three specific aims were addressed in this research: i) characterization of the efficacy of phages against clinical isolates of P. aeruginosa, ii) preparation and characterization of biodegradable and bioactive gelatin-alginate (GA) and gelatin-alginate/gelatin (GA/G) bilayer films, iii) evaluation of the antimicrobial activity of the films against P. aeruginosa biofilms using three different experimental models. Distinct bacteriophages were isolated from raw sewage and the Russian Sextaphage formulation (Microgen), characterized and evaluated for their lytic activity against clinical isolates of P. aeruginosa. The best antimicrobial outcome against planktonic cultures was obtained with a combination of all five phages, resulting in a significant reduction in the virulence of the bacteria and a lower frequency of resistant variants. Phages vB_PaeM_SMS21 and vB_PaeP_SPCB were incorporated into the biopolymeric films, and their presence significantly impaired the growth of P. aeruginosa. The phages were viable for at least 12 weeks when stored under vacuum and refrigerated conditions. In vitro and ex vivo studies showed that GA/G bilayer films incorporating phages and PLL significantly reduced the P. aeruginosa infection. In conclusion, the developed films are promising for inhibiting and controlling P. aeruginosa in infected wounds. Further optimization studies and refinement of techniques are necessary to enhance this novel strategy's therapeutic potential in managing chronic wound pathogens.