Development of chitosan nanoparticles with antimicrobial activity against Listeria monocytogenes

Abstract

A Listeria monocytogenes é um dos patogénicos alimentares mais perigosos devido à sua resistência a condições ambientais adversas e, com base na gravidade, a listeriose foi a mais grave, com a maior taxa de hospitalização e mortalidade, entre as quatro doenças zoonóticas mais comuns relatadas na União Europeia em 2019. Os antibióticos têm sido essenciais para sustentar a saúde humana e animal. A OMS considerou que o nível de resistência aos antibióticos na última década é uma séria ameaça à saúde global. Assim, o uso de compostos naturais com atividade antimicrobiana é de interesse, por isso, neste trabalho focou-se a atenção no quitosano, pois é aprovado pela FDA como Geralmente Reconhecido Com Seguro (GRAS) e possui propriedades antimicrobianas. As nanopartículas de quitosano (CN) têm uma maior disponibilidade de interação com outras moléculas e células bacterianas, além de serem capazes de reagir em pH ácido ou básico. A atividade antibacteriana das CN é inespecífica e, portanto, essas nanopartículas foram funcionalizadas com anticorpos monoclonais (mAb) para melhorar o seu direcionamento ativo com o patogénico alvo, ou seja, L. monocytogenes. Neste projeto, foi utilizado o mAb C11E9, que se liga fortemente à parede celular bacteriana de L. monocytogenes. Este projeto visou avaliar as propriedades antimicrobianas de nanopartículas de quitosano sintetizadas a partir de diferentes origens e tentar melhorar as suas propriedades contra L. monocytogenes, funcionalizando-as com moléculas bioativas. Para a fabricação de nanopartículas foi utilizado o Protocolo de Gelificação Iónica, e foram selecionados três quitosanos de baixo peso molecular, Sigma, HMC+ e C3646. O passo seguinte consistiu em avaliar a atividade antimicrobiana através da Concentração Mínima Inibitória (MIC). Assim, o quitosano que apresentou a menor MIC, com resultados reprodutíveis, foi o escolhido para a funcionalização com anticorpos específicos. Conclui-se que apesar das CN sintetizadas de diferentes origens não apresentarem um efeito inibitório consistente contra a L. monocytogenes, as CN de Sigma mostraram ter um efeito promissor.

Listeria monocytogenes is one of the most dangerous food pathogens due to its resistance to adverse environmental conditions, and based on severity, listeriosis was the most severe, with the highest rate of hospitalization and mortality among the four most common zoonotic diseases reported in the Union European in 2019. Antibiotics have been essential to sustaining human and animal health. The WHO considered the level of antibiotic resistance in the last decade to be a serious threat to global health. Thus, the use of natural compounds with antimicrobial activity is of interest, so in this work our attention was focused on chitosan, as it is FDA approved as Generally Recognized As Safe (GRAS) and has antimicrobial properties. The synthesis of chitosan nanoparticles (CN) has greater availability of interaction with other molecules and bacterial cells, as well as being able to react in acidic or basic pH. The antibacterial activity of CN is unspecific and therefore these NPs (nanoparticles) were functionalized with monoclonal antibodies (mAb) to improve its active targeting with the target pathogen, i.e L. monocytogenes. In this project, mAb C11E9 was used, which binds strongly to the bacterial cell wall of L. monocytogenes. This project aims to evaluate the antimicrobial properties of CN synthesized from different sources and try to improve their properties against L. monocytogenes, functionalizing them with bioactive molecules. For nanoparticle fabrication, the Ionic Gelation Protocol was used and three low molecular weight chitosans were selected, Sigma, HMC+, and C3646. The next step was to evaluate the antimicrobial activity through the Minimum Inhibitory Concentration (MIC). Thus, the CNsthat presents the lowest MIC, with reproducible results, were chosen to be functionalized with mAb C11E9. It is concluded that although the CN synthesized from different origins did not show a consistent inhibitory effect against L. monocytogenes, the CN from Sigma showed a promising effect.