| Resumo: |
Mais de 30 milhões de cateteres urinários são inseridos anualmente nos Estados Unidos e mais de 1.5 milhões de stents são inseridos por ano em todo o mundo. As infeções urinárias são das mais comuns entre as que são adquiridas em ambiente hospitalar (causando nos EUA mais de 560 mil casos por ano com 13 mil mortes associadas) e cerca de 75% destas estão associadas a cateteres urinários com um custo anual de 451 milhões de dólares. Cerca de 80% dos stents apresentam problemas ao longo do tempo de utilização e muitos requerem intervenção cirúrgica.
Stents e cateteres urinários sofrem de 2 problemas distintos: formação de biofilmes e incrustação. Escherichia coli é a bactéria patogénica que infecta mais frequentemente estes dispositivos enquanto que Proteus mirabilis é responsável pela incrustação. A erradicação de biofilmes em cateteres e stents é difícil de conseguir através de antibióticos uma vez que os biofilmes providenciam um ambiente que protege as células do tratamento químico. Uma das estratégias mais promissoras para aumentar o desempenho destes dispositivos é o desenvolvimento de revestimentos que inibam a adesão bacteriana ou que consigam matar as bactérias por contacto uma vez que os sistemas de libertação química podem potenciar o desenvolvimento de resistência antimicrobiana.
Os nanotubos de carbono (do inglês CNTs) têm sido usados para reduzir a adesão bacteriana e a formação de biofilmes em aplicações industriais e no ambiente mas a sua reputação como agentes citotóxicos tem prejudicado a sua utilização generalizada em dispositivos médicos. Foi demonstrado que a funcionalização de CNTs diminui a sua citotixicidade e que a
sua incorporação em matrizes poliméricas reduz a sua toxicidade em células humanas e animais. O nosso grupo demonstrou que, usando uma pequena quantidade de CNTs era possível reduzir a adesão bacteriana nas condições hidrodinâmicas dos cateteres. No mesmo trabalho mostrou-se que os CNTs não estavam expostos à superfície o que p  |
Resumo
Mais de 30 milhões de cateteres urinários são inseridos anualmente nos Estados Unidos e mais de 1.5 milhões de stents são inseridos por ano em todo o mundo. As infeções urinárias são das mais comuns entre as que são adquiridas em ambiente hospitalar (causando nos EUA mais de 560 mil casos por ano com 13 mil mortes associadas) e cerca de 75% destas estão associadas a cateteres urinários com um custo anual de 451 milhões de dólares. Cerca de 80% dos stents apresentam problemas ao longo do tempo de utilização e muitos requerem intervenção cirúrgica.
Stents e cateteres urinários sofrem de 2 problemas distintos: formação de biofilmes e incrustação. Escherichia coli é a bactéria patogénica que infecta mais frequentemente estes dispositivos enquanto que Proteus mirabilis é responsável pela incrustação. A erradicação de biofilmes em cateteres e stents é difícil de conseguir através de antibióticos uma vez que os biofilmes providenciam um ambiente que protege as células do tratamento químico. Uma das estratégias mais promissoras para aumentar o desempenho destes dispositivos é o desenvolvimento de revestimentos que inibam a adesão bacteriana ou que consigam matar as bactérias por contacto uma vez que os sistemas de libertação química podem potenciar o desenvolvimento de resistência antimicrobiana.
Os nanotubos de carbono (do inglês CNTs) têm sido usados para reduzir a adesão bacteriana e a formação de biofilmes em aplicações industriais e no ambiente mas a sua reputação como agentes citotóxicos tem prejudicado a sua utilização generalizada em dispositivos médicos. Foi demonstrado que a funcionalização de CNTs diminui a sua citotixicidade e que a
sua incorporação em matrizes poliméricas reduz a sua toxicidade em células humanas e animais. O nosso grupo demonstrou que, usando uma pequena quantidade de CNTs era possível reduzir a adesão bacteriana nas condições hidrodinâmicas dos cateteres. No mesmo trabalho mostrou-se que os CNTs não estavam expostos à superfície o que pode reduzir a citotoxicidade dos compósitos. No entanto, não chegaram a ser feitos testes de formação de biofilme.
Neste projeto serão testadas várias funcionalizações incluindo a oxidação com ácidos, introdução de grupos azotados e impregnação com cobre. Os grupos funcionais com maior atividade antimicrobiana serão identificados através de tratamentos térmicos que permitem eliminar seletivamente alguns dos grupos que foram introduzidos durante a funcionalização. Esta informação permitirá a criação de compósitos contendo CNTs multifuncionais que serão testados usando um isolado clinico de E. coli em sistemas de fluxo validados por Dinâmica de Fluidos Computacional para mimetizar a hidrodinâmica de cateteres e stents. Isto é muito importante uma vez que os a maioria dos trabalhos publicados sobre a atividade antimicrobiana dos CNTs utiliza testes em suspensão ou testes de formação de biofilme em condições estáticas. Contudo já foi demonstrado que ensaios em suspensão não conseguem mimetizar as condições necessárias para eliminar biofilmes e o nosso grupo provou que o efeito da superfície é modulado pela hidrodinâmica pelo que testes em condições estáticas não são adequados para dispositivos em que existe fluxo significativo, como é o caso dos cateteres e stents. Depois de uma caracterização exaustiva dos CNTs funcionalizados e dos compósitos com maior atividade antimicrobiana este serão testados com biofilmes simples e mistos de E. coli e P. mirabils. As células do biofilme serão analisadas para verificar se ocorrem alterações funcionais causadas pelos CNTs (na integridade da membrana e polarização, alterações metabólicas e produção de espécies reativas de oxigénio). O modo de ação dos CNTs com os diferentes grupos funcionais será desvendado usando também a informação proveniente da análise de superfícies. Os compósitos com melhor desempenho serão testados para averiguar a sua citotoxicidade e no final do projeto serão identificados os compósitos a serem testados in vivo.
O sucesso deste projeto baseia-se na complementaridade de conhecimentos dos vários elementos da equipe de investigação. O investigador principal do projeto (PI) e o coinvestigador principal (Co-PI), Filipe Mergulhão e Luciana Gomes (respetivamente) são peritos na áreas da adesão bacteriana e dos biofilmes particularmente nas áreas do desenvolvimento de superfícies e teste em condições de hidrodinâmica controlada. Fernando Pereira e Olívia Soares são especialistas em materiais de carbono, particularmente em CNTs e na sua modificação química. O Dr. Federico Soria é um médico, investigador e inventor de stents que irá ser consultor neste projeto. Ele irá aconselhar a equipe no sentido de selecionar os candidatos mais adequados para os testes in vivo que poderão ser realizados sob a sua orientação numa fase posterior. Dada à sua experiência na área, irá também ajudar a equipe de investigação a identificar parceiros industriais para a exploração comercial dos resultados do projeto. |
| Resultados: |
Dados os resultados modestos que form obtidos com a oxidação dos CNTs com ácido nítrico e sulfúrico, foi elaborado um plano de contingência para que diferentes abordagens pudessem ser testadas de forma independente e combinadas com a incorporação de CNTs na matriz polimérica em uma etapa posterior. Entre essas estratégias, a combinação de compósitos MWCNT/PDMS com probióticos ou quitosano demonstrou resultados promissores na inibição da formação de biofilmes de uropatogênicos. As restantes funcionalizações pevistas estão a ser implementadas.
Foram obtidas as seguintes publicações:
• Sousa-Cardoso, F.; Teixeira-Santos, R.; Campos, A.F.; Lima, M.; Gomes, L.C.; Soares, O.S.G.P.; Mergulhão, F.J. Graphene-Based Coating to Mitigate Biofilm Development in Marine Environments. Nanomaterials, 13, 381, 2023, doi:10.3390/nano13030381
• Gomes, M.; Gomes, L. C.; Teixeira-Santos, L.; Pereira, M. F. R.; Soares, O. S. G. P.; Mergulhão, F. J., Carbon nanotube-based surfaces: Effect on the inhibition of single- and dual-species biofilms of Escherichia coli and Enterococcus faecalis. Results in Surfaces and Interfaces, 9, 100090, 2022, doi: 10.1016/j.rsurfi.2022.100090
• Romeu, M. J.; Gomes, L. C.; Sousa-Cardoso, F.; Morais, J.; Vasconcelos, V.; Whitehead, K. A.; Pereira, M. F. R.; Soares, O. S. G. P.; Mergulhão, F. J., How do Graphene Composite Surfaces Affect the Development and Structure of Marine Cyanobacterial Biofilms? Coatings, 12 (11), 1775, 2022, doi: 10.3390/coatings12111775
• Romeu, M. J.; Lima, M.; Gomes, L. C.; Jong, E. D. D.; Morais, J.; Vasconcelos, V.; Pereira, M. F. R.; Soares, O. S. G. P.; Sjollema, J.; Mergulhão, F. J., The Use of 3D Optical Coherence Tomography to Analyze the Architecture of Cyanobacterial Biofilms Formed on a Carbon Nanotube Composite. Polymers, 14 (20), 4410, 2022, doi: 10.3390/polym14204410
• Sousa-Cardoso, F.; Teixeira-Santos, R.; Mergulhão, F. J. M., Antifouling Performance of Carbon-Based Coatings for Marine Applications: A Systematic Review. Antibiotics, 11 (8), 1102, 2022, doi: 10.3390/antibiotics11081102
• Teixeira-Santos, R.; Gomes, L. C.; Mergulhão, F. J. M., Recent advances in antimicrobial surfaces for urinary catheters. Curr. Opin. Biomed. Eng., 22, 100394, 2022, doi: 10.1016/j.cobme.2022.100394 |