Microbial colonization of contact lenses, tear film deposition, bacterial adhesion and disinfection

Abstract

Biomedical devices are susceptible of microbial contamination. Adhering bacteria to contact lenses (CLs) may induce ocular infections, being microbial keratitis (MK) the most sight threatening. The present Thesis investigates the role of surface properties and conditioning film on microbial colonization, bacterial adhesion, detachment, viability and disinfection of silicone hydrogel CLs. The results presented in this Thesis confirm that the physic-chemical properties of the material control the composition of the adsorbed tear film, which in their turn might affect the hydrophobicity, roughness and the extent of colonising or adhering microbes to CLs. When a CL is placed in the eye, readily adsorbs proteins from the tear film. In silicone hydrogel lenses, the presence of adsorbed tear film tends to reduce their hydrophobicity because of the amphiphilic properties of proteins and lipids. Protein adsorption was estimated under “in vivo” conditions. The electrophoresis analysis of proteins on worn CLs with different chemical composition demonstrated different protein profiles. The presence of adsorbed oxidised lipids on the CLs was estimated under “in vitro” conditions. The results demonstrated that lenses incorporating N-Vinyl pyrrolidone presents greater amounts of such molecules, regardless being silicone hydrogel or conventional hydrogel CLs. One of the great concerns regarding silicone-hydrogel material is its high hydrophobicity and consequently high propensity for microbial attachment. In fact, worn silicone hydrogel CLs, especially balafilcon A exhibited greater amounts of colonizing microbes comparing with the other materials. However, adhesion studies of Staphylococcus epidermidis to worn and unworn CLs revealed that all worn silicone hydrogel materials are equally prone to bacterial adhesion and generally less prone than worn conventional hydrogel CLs. This result was explained by the decrease of surface hydrophobicity of silicone-hydrogel CLs due to the already discussed protein adsorption during wear. Daily maintenance of CLs in multipurpose solutions (MPS) is an important lens care procedure, conceived to ensuring their safety wear. In this Thesis, the efficacy of a commercially available MPS solutions in detaching and killing adhered bacteria as well as the adequateness of the international standard guidelines (ISG) for ophthalmic disinfecting to assess silicone-hydrogel disinfection were discussed. Moreover, attempts to enhance the MPS capability to inhibit bacterial adhesion to CLs through the incorporation of natural surfactants are described. The results herein presented suggest that bacterial detachment induced by a MPS is materialdependent and not influenced by lens wear, since etafilcon A and galyfilcon A lenses exhibited a significant percentage of cell removal regardless being unworn or worn. Conversely, the efficacy of disinfection seems to be influenced by the presence of tear film molecules on worn lenses, given that the number of remaining viable attached cells on worn CL was smaller. Disinfection studies were performed according to the ISG for ophthalmic disinfecting products. The results revealed that although MPS are capable of accomplish the goals proposed by stand-alone test, they failed to pass in some combinations bacterial strain/CL in the regimen test. Finally, the use of surfactants as quoting agents to enhance MPS efficacy was tested and the results revealed that octylglucoside enabled the reduction of lens surface hydrophobicity and inhibited adhesion of Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus epidermidis both to silicone-based lenses and to conventional hydrogel materials.

Os dispositivos biomédicos são susceptíveis à contaminação microbiana. Quando aderidas a lentes de contacto (LC), as bactérias podem induzir infecções oculares, sendo a queratite microbiana (QM) a mais lesiva. A presente Tese investiga a contribuição das propriedades superficiais e do filme lacrimal na colonização microbiana, adesão, remoção e viabilidade bacteriana e desinfecção em LC. Os resultados obtidos nesta Tese confirmam que as propriedades físico-químicas dos materiais controlam a composição do filme lacrimal, o que por sua vez poderá afectar a hidrofobicidade, rugosidade e o grau de colonização ou adesão microbiana a LC. Quando uma LC é colocada no olho, adsorve de imediato proteínas provenientes do filme lacrimal. A presença de filme lacrimal adsorvido nas LC de silicone hidrogel, tende a reduzir a sua hidrofobicidade devido às propriedades anfifílicas das proteínas e lípidos. A adsorção de proteínas foi estimada sob condições “in vivo”. A análise electroforética das proteínas em lentes usadas revelou que os perfis diferem em função da composição química do material. A presença de lípidos oxidados nas LC foi estimada sob condições “in vitro”. Os resultados demonstraram que as lentes que incorporavam N-vinil pirrolidona, apresentavam uma quantidade maior destas moléculas, independentemente de serem LC de silicone hidrogel ou hidrogel convencional. Uma das maiores preocupações em relação aos materiais de silicone hidrogel reside na sua elevada hidrofobicidade e subsequentemente maior propensão para a adesão microbiana. De facto, as LC usadas de silicone hidrogel, em particular a lente balafilcon A exibiu um elevado grau de microrganismos colonizadores quando comparada com os outros materiais. No entanto, estudos de adesão realizados “in vitro” com Staphylococcus epidermidis em lentes novas e usadas revelaram que a adesão bacteriana é sensivelmente a mesma entre lentes usadas de silicone hidrogel e inferior à observada na lente usada de hidrogel convencional. Este resultado foi discutido previamente em relação à adsorção de proteínas devendo-se à diminuição da hidrofobicidade superficial das LC de silicone hidrogel durante o uso. A manutenção diária das LC com soluções multiuso (SMU) é um procedimento importante a ter no cuidado das lentes tendo sido concebida para promover uma utilização segura das mesmas. Nesta Tese, a eficácia de SMU disponíveis no mercado na remoção e morte de bactérias aderidas, bem como a adequabilidade da norma internacional (NI) para testar produtos oftalmológicos para desinfecção de LC foram discutidas. Para além disso, foram realizados ensaios com o objectivo de aumentar a capacidade das SMU de inibirem a adesão bacteriana a LC, através da incorporação de tensioactivos naturais. Os resultados aqui descritos sugerem que a remoção bacteriana induzida pela SMU depende do material da lente e não é afectada pelo respectivo uso, uma vez que as lentes etafilcon A galyfilcon A apresentaram uma percentagem de remoção bacteriana significativa. Pelo contrário, a eficácia da desinfecção parece aumentar pela presença de moléculas do filme lacrimal em lentes de contacto usadas, uma vez que se verificou que o número de bactérias viáveis que permaneceram aderidas era inferior nas LC usadas. Foram realizados estudos de desinfecção de acordo com a NI para produtos oftalmológicos de desinfecção e os resultados revelaram que apesar de as SMU cumprirem os objectivos delineados pelo critério primário, não alcançaram os objectivos do critério secundário em algumas combinações estirpe bacteriana/LC. Para finalizar, o uso de tensioactivos como agentes potenciadores da eficácia de SMU foi testada e os resultados demonstraram que o octilglucosídeo promoveu a redução da hidrofobicidade superficial das lentes e inibiu a adesão de Pseudomonas aeruginosa e Staphylococcus epidermidis tanto em lentes de silicone como de hydrogel convencional.