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I polisaccaridi capsulari batterici con attività antibiofilm condividono proprietà biofisiche ed elettrocinetiche comuni

Jul 17, 2023

Nature Communications volume 14, numero articolo: 2553 (2023) Citare questo articolo

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I biofilm batterici sono comunità attaccate alla superficie difficili da sradicare a causa dell’elevata tolleranza agli agenti antimicrobici. L’uso di composti tensioattivi non biocidi per prevenire l’adesione iniziale e l’aggregazione di agenti patogeni batterici è un’alternativa promettente ai trattamenti antibiotici e sono stati identificati diversi composti antibiofilm, inclusi alcuni polisaccaridi capsulari rilasciati da vari batteri. Tuttavia, la mancanza di comprensione chimica e meccanicistica dell’attività di questi polimeri ne limita l’uso per controllare la formazione del biofilm. Qui, esaminiamo una raccolta di 31 polisaccaridi capsulari purificati e identifichiamo innanzitutto sette nuovi composti con attività non biocida contro i biofilm di Escherichia coli e/o Staphylococcus aureus. Misuriamo e interpretiamo teoricamente la mobilità elettroforetica di un sottoinsieme di 21 polisaccaridi capsulari in condizioni di campo elettrico applicato e mostriamo che i polimeri polisaccaridici attivi e inattivi mostrano proprietà elettrocinetiche distinte e che tutte le macromolecole attive condividono caratteristiche di elevata viscosità intrinseca. Nonostante la mancanza di motivi molecolari specifici associati alle proprietà antibiofilm, l'uso di criteri tra cui l'elevata densità di cariche elettrostatiche e la permeabilità al flusso di fluido ci consente di identificare due ulteriori polisaccaridi capsulari con attività antibiofilm ad ampio spettro. Il nostro studio fornisce quindi approfondimenti sulle principali proprietà biofisiche che discriminano i polisaccaridi attivi da quelli inattivi. La caratterizzazione di una firma elettrocinetica distinta associata all'attività antibiofilm apre nuove prospettive per identificare o progettare macromolecole tensioattive non biocide per controllare la formazione di biofilm in ambienti medici e industriali.

I biofilm batterici sono batteri diffusi attaccati alla superficie o aggregati che possono avere un impatto negativo sulle attività umane quando si sviluppano su superfici mediche o industriali1,2. A causa della loro elevata tolleranza agli antibiotici, i biofilm sono difficili da sradicare e la prevenzione delle infezioni associate ai biofilm rappresenta un importante problema sanitario ed economico3,4. Le strategie per prevenire la formazione di biofilm spesso mirano alle fasi iniziali dell’adesione batterica utilizzando superfici rivestite da agenti biocidi come antibiotici ad ampio spettro o metalli pesanti5. Questi approcci biocidi sono limitati dal rapido accumulo di batteri morti e detriti organici, che riduce l’attività delle superfici rivestite verso le nuove cellule in arrivo. Inoltre, l’uso di superfici che rilasciano biocidi come gli antibiotici è associato a una preoccupante selezione della resistenza agli antibiotici6.

Diversi studi hanno dimostrato che le strategie antiadesione non antibiotiche potrebbero anche interferire efficacemente con la formazione del biofilm batterico7,8,9,10,11,12,13,14. È stato proposto che la progettazione di materiali di ispirazione biologica con proprietà superficiali antiaderenti costituisca una soluzione efficace per proteggere le attrezzature per la cura del paziente dalla colonizzazione di agenti patogeni e quindi impedire le fasi chiave dell'infezione, dal contatto iniziale con la superficie alle successive interazioni batterio-batteri15,16 ,17. Vengono esplorate attivamente anche strategie non biocide e basate su prodotti biologici, compresi approcci che prevengono e/o distruggono i biofilm utilizzando inibitori del quorum sensing che interferiscono con le comunicazioni batteriche18. I batteri secernono anche biotensioattivi che alterano le proprietà superficiali del materiale come bagnabilità e carica19,20. Questi composti tensioattivi riducono i contatti superficiali e contribuiscono alla motilità batterica o sono coinvolti nelle interazioni competitive tra batteri12. Mentre molte di queste molecole corrispondono a piccoli lipopeptidi, studi recenti hanno dimostrato che i polisaccaridi capsulari ad alto peso molecolare rilasciati da vari batteri potrebbero impedire l’adesione che porta alla successiva aggregazione cellulare e alla formazione di biofilm da parte di un’ampia gamma di batteri Gram+ e Gram-. Questi includono diversi patogeni nosocomiali come Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis ed Enterococcus faecalis7,9,11,21,22,23,24.

7 dl/g) intrinsic viscosity (Supplementary Fig. 5). Moreover, molecular weight Mw and intrinsic viscosity [η] of polysaccharides with intermediate narrow-spectrum activity (PnPS18C and PnPS12F) cover range of values measured for both broad-spectrum active and non-active macromolecules. To determine whether high intrinsic viscosity could be indicative of potential antibiofilm activity, we screened additional purified bacterial capsular polysaccharides of our collection and we identified two such non-biocidal polysaccharides, MenY and MenW135 (Supplementary Fig. 3), presenting high intrinsic viscosity (Table 1 and Supplementary Fig. 5). Although MenY and MenW135 differ in their primary composition from Vi, MenA, MenC, and G2cps, they both exhibited similar broad-spectrum antibiofilm activity (Fig. 4 and Supplementary Fig. 6). These results indicated that specific polysaccharide conformation, reflected by a high intrinsic viscosity29, could be a determinant of antibiofilm activity./p>30 mM). This property is the direct consequence of the penetration of the electroosmotic flow within the charged polysaccharide globular structure33. Further qualitative inspection of the sets of electrokinetic data collected for the polysaccharides of interest revealed two main electrokinetic patterns. The first one corresponded to the 11 tested inactive macromolecules whose electrophoretic mobility systematically tends to a value of μ* satisfying 0.5 < │μ*│ <1.5 × 10−8 m2 V−1 s−1. For these macromolecules, the absolute value of the electrophoretic mobility decreases with increasing electrolyte concentration as a result of screening of the polysaccharide charges by the electrolyte ions. This feature is also shared by the active macromolecules (PnPS3, PRP and G2cps) with the noticeable difference that their asymptotic mobility value │μ*│ is significantly larger with μ* now satisfying the inequality │μ*│ >2 × 10−8 m2 V−1 s−1 (Fig. 5A). The second observed electrokinetic pattern applies to macromolecules with narrow (PnPS18C and PnPS12F) or broad-spectrum (Vi, MenA, MenC, MenY and MenW135) activities for which the electrophoretic mobility μ moderately or poorly depends on background electrolyte concentration. Strikingly, active macromolecules with narrow-spectrum antibiofilm activity are defined by electrophoretic mobilities (│μ*│ <0.5 × 10−8 m2 V−1 s−1) that are much lower in magnitude compared to those measured for broad-spectrum antibiofilm polysaccharides (Vi, MenA, MenC, MenY, and MenW135, │μ*│ >1.5 × 10−8 m2 V−1 s−1) (Fig. 5B). These results demonstrated clearly that active capsular polysaccharides are characterized by a specific electrokinetic signature./p>