Tyrosol-funktionalisierte Chitosan-Gold-Nanopartikel gegen fungale Biofilme

Pilze der Gattung Candida können vor allem als Biofilme für schwerwiegende Hautinfektionen verantwortlich sein. Um eine alternative Behandlungsmethode gegen fungale Biofilme zu finden, wurden in der vorgestellten Studie Chitosan-Gold-Nanopartikel mit dem Quorum Sensing Molekül Tyrosol gekoppelt.

IN-SITU-SYTHETISIERTE TYROSOL-FUNKTIONALISIERTE CHITOSAN-GOLDNANOPARTIKEL ALS VIELSEITIGE ANTIFOULING-BESCHICHTUNG AUF IMPLANTATOBERFLÄCHEN GEGEN CANDIDA SPP.

T. C. Yadav, P. Gupta, S. Saini, S. Mohiyuddin, V. Pruthi, and R. Prasad, Plausible Mechanistic Insights in Biofilm Eradication Potential against Candida spp. Using In Situ-Synthesized Tyrosol-Functionalized Chitosan Gold Nanoparticles as a Versatile Antifouling Coating on Implant Surfaces, ACS Omega 2022 7 (10), 8350-8363, DOI: 10.1021/acsomega.1c05822

Pilze der Gattung Candida lösen oberflächliche bis tiefergehende Hautinfektionen aus. Bei immunsupprimierten Patienten kommt es bei resistenten Stämmen zu Mortalitätsraten von bis zu 40 %. Die virulenten Eigenschaften von Candida sind dabei abhängig von einer Biofilmbildung. Diese kommt hauptsächlich auf Oberflächen von Fremdkörpern wie Implantaten vor. Dort kapseln sich die Zellen in einer selbst sekretierten extrazellulären Matrix (ECM) ein. Die ECM besteht aus Proteinen, verschiedenen Biomolekülen, hydrolytischen Enzymen (z.B. Lipasen, Proteasen, Phospholipasen) und Persistenzzellen, die eine geringere Teilungsrate haben und in der Lage sind Wirkstoffe aktiv auszupumpen. Zudem ist es schwierig diese mit Antibiotika zu bekämpfen. Im Biofilm kommunizieren Zellen über Quorum Sensing. Dabei ist Tyrosol für die Hyphenbildung in der Biofilmformation verantwortlich. Wird Tyrosol allerdings extern dazu gegeben, wirkt es antagonistisch und kann genutzt werden um Biofilme aufzulösen.
Um Tyrosol als Quorum Sensing Molekül extern in den Biofilm einzuschleusen sind Nanopartikel eine Möglichkeit. Nanopartikel verbessern die Zellaufnahme, besitzen ein hohes Oberflächen-zu-Volumen Ratio und können Wirkstoffe verzögert freisetzen. Als Nanopartikelmaterial sind Gold und Chitosan besonders interessant, weil beide Stoffe antibakteriell sind und eine geringe Zytotoxizität sowie Biokompabilität aufweisen.
Aus diesem Grund wurden in der hier vorgestellten Studie Gold, Chitosan und Tyrosol in situ zu Nanopartikeln (Chi-TY-AuNPs) synthetisiert und die antifungale und antibiofilm Eigenschaften an C. albicans und C. glabrata untersucht.  Zudem wurde die Wirkungsweise der Chi-TY-AuNPs auf die ROS-Bildung, Hydrophobizität der Zelloberfläche, ECM-Zusammensetzung und den Membran-Ergosterin-Gehalt genauer betrachtet.

ERGEBNISSE

• Bestätigung der Chi-TY-AuNP Formation über FTIR
• Über AFM wurde eine sphärische Form, sowie eine Größe von 10 – 15 nm beobachtet
• Drug loading Kapazität von 46,08 % in 100 mg Chi-TY-AuNPs
• Nachweis der antifungalen Eigenschaften durch MIC₈₀-Werte der Chi-TY-AuNPs von 200 µg/ml (C. albicans) bzw. 400 µg/ml (C. glabrata) und MCF-Werte bei 800 µg/ml
• Ab 400 µg/ml Chi-TY-AuNPs in C. albicans und C. glabrata: Abwesenheit Hyphennetzwerk und faltige Zellen (C. albicans), sowie Zellen mit Poren auf der Oberfläche (C. glabrata)
• Chi-TY-AuNPs inhibierten die Hyphenbildung und reduzierten die Zahl der Keimschläuche bei C. albicans
• Hydrophobizität spielte keine Rolle in den antibiofilm Eigenschaften von Chi-TY-AuNPs
• Intensive rote Färbung der mit Chi-TY-AuNPs behandelten C. albicans und C. glabrata Biofilme nach Lebend-Tod-Färbung mit FDA-PI
• Hohe PI-Fluoreszenz wies auf ROS-Akkumulation in Candida spp. Zellen durch Chi-TY-AuNPs hin
• C. albicans zeigte keine Veränderung des Ergosteringehalts in Gegenwart von Chi-TY-AuNPs, während C. glabrata eine verringerte Ergosterin-Konzentration im Vergleich zur Kontrolle zeigte
• Verbesserte Biokompabilität von Chi-TY-AuNPs im Vergleich zu Chi-AuNPs

Schlussfolgerungen: In der präsentierten Studie wurden erfolgreich Chi-TY-AuNPs synthetisiert und mittels verschiedener biophysikalischer Methoden charakterisiert. Zudem wurde das fungizide und Biofilm-bekämpfende Potential der Nanopartikel nachgewiesen. Chi-TY-AuNPs schienen einen Einfluss auf die ROS und ECM-Bildung als auch den Ergosterolgehalt beider Candida Stämme zu haben. Allerdings sind dort weitere Studien notwendig um den therapeutischen und mechanistischen Effekt von Chi-TY-AuNPs weiter zu untersuchen. Trotzdem zeigten die Ergebnisse der Studie das Potential von Chi-TY-AuNPs als alternative Behandlung gegen Candida-Biofilme z.B. auf Implantatoberflächen. Link zum Artikel: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsomega.1c05822?ref=PDF