Nature-inspired biomaterials for infection management: from interactive coatings to phagocytic synthetic cells

Garay-Sarmiento, Rosario Manuela; Schwaneberg, Ulrich; Rodriguez-Emmenegger, César

doi:43353

Nature-inspired biomaterials for infection management: from interactive coatings to phagocytic synthetic cells

Garay-Sarmiento, Rosario Manuela^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Rosario Manuela Garay Sarmiento

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schwaneberg, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH* ; Rodriguez-Emmenegger, César (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-06-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-05934
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/987925/files/987925.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Trotz revolutionärer Fortschritte in der Medizin, Biotechnologie und auf dem Gebiet der Biomedizin in den letzten Jahrzehnten bleibt das effektive Management von mikrobiellen Infektionen eine anhaltende Herausforderung. Darüber hinaus stellt das stetige Auftreten resistenter Mikroben eine ernsthafte Bedrohung dar und ist eine Problematik von globaler Bedeutung. Die Resistenzkrise, mit der wir heute konfrontiert sind, ist eine Folge des übermäßigen und unangemessenen Einsatzes von Antibiotika sowie des Mangels an Erfindung neuer antimikrobieller Strategien. Antimicrobial Stewardship ist nun zwingend erforderlich und verlangt innovative Ansätze, um Infektionen auf sichere, nachhaltige und effiziente Weise zu bekämpfen. Die wissenschaftliche Arbeit, die im Rahmen dieser Dissertation durchgeführt wurde, fokussierte sich auf die Entwicklung von nicht-antibiotischen antimikrobiellen Biomaterialien. Hierbei wurde insbesondere Inspiration aus einigen der effizientesten Abwehr- und Überlebensmechanismen der Natur geschöpft. Diese Arbeit konzentriert sich zu Beginn auf das Design von Beschichtungen, die die Oberfläche medizinischer Geräte vor bakterieller Anhaftung schützen sollen, um das Risiko einer Infektionsentwicklung zu verringern. Die Beschichtungen bestehen aus Polymerbürsten und bürstenähnlichen Strukturen aus (3-Methacryloylamino-propyl)-(2-carboxy-ethyl) Dimethylammonium Carboxybetainmethacrylamid (CBMAA) und N-(2-Hydroxypropyl) Methacrylamid (HPMA), die physikalische und energetische Barrieren schaffen, welche die Adsorption von Blutplasmaproteinen und die Anhaftung von pathogenen Bakterien wirksam verhindern. Darüber hinaus präsentiert diese Arbeit eine universelle und leicht anwendbare Beschichtungsstrategie für polymere und metallische Oberflächen. Der Ansatz beinhaltet die Synthese von Peptid-Polymer-Hybriden, die durch gerichtete Adsorption auf der Oberfläche eine bürstenähnliche Beschichtung bilden und dabei die Notwendigkeit aufwendiger Verfahren oder externer Energiezufuhr eliminieren. Des Weiteren wird in dieser Arbeit die innovative „Kill&Repel“ Strategie für antimikrobielle Beschichtungen vorgestellt. Diese kombiniert die synergistischen Effekte von antifouling-Eigenschaften mit einer von Phageninspirierten, bakteriziden Strategie. Die Beschichtung entsteht in situ durch die Adsorption vonPeptid-Polymer- und Peptid-Endolysin-Hybriden auf der Oberfläche. Beschichtete Oberflächen verhindern effektiv die Kolonisation und Biofilmbildung durch Streptococcusagalactiae, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus pyogenes, Staphylococcus aureus und multiresistente Staphylococcus aureus (MRSA). Die Beschichtung beseitigte Bakterien in einer simulierten Infektion, ohne dass Rückstände auf der Oberfläche haften blieben. Dadurch entsteht ein selbstreinigender Mechanismus, der die Beschichtung über einen längeren Zeitraum aktiv hält. Beachtenswert ist, dass die „Kill&Repel“ Beschichtung für Säugetierzellen und Hautgewebe völlig unschädlich war. Als Nächstes wird in dieser Arbeit das neue Konzept der „beschleunigten künstlichen Phagozytose“ vorgestellt. Dieses Konzept beinhaltet die Verwendung einer neuen Familie von synthetischen Zellen, die auf amphiphilen ionisch verbundenen Kamm-Polymeren basieren und die besondere Fähigkeit besitzen, eine Art künstliche Phagozytose in hohem Niveau zu imitieren. In einem ersten Schritt wurde die Aufnahme von unbelebten Objekten, wie Silika- und Polystyrol-Nano- und Mikropartikeln, untersucht. Hier wurde gezeigt, dass sie im Vergleich zu anderen Zellimitaten auf der Basisvon Lipiden, Block- oder Pfropf-Copolymeren sehr effizient waren. Es wurde gezeigt, dass ihre überlegene Aufnahmefähigkeit auf ihrer heterogenen Membranzusammensetzung beruht, die sich aus der zufälligen Sequenzverteilung des amphiphilen Kamm-Polymers ergab. Dies führte zu lokalen Krümmungsdefekten in der Membran, die kinetische Barrieren reduzierten und Intermediärzustände des Verschlingungsvorgangs begünstigten. Letztendlich wurde das überlegene phagozytäre Verhalten dieser Zellimitate gegen die Prädation von bakteriellen Krankheitserregern, einschließlich Escherichia coli, Staphylococcus aureus und Pseudomonasaeruginosa, eingesetzt. Diese konnten innerhalb von 60 Minuten effektiv die Krankheitserreger abtöten. Darüber hinaus zeigten diese Zellimitate über längereI nkubationszeiträume hinweg eine ausgezeichnete Biokompatibilität mit organotypischen Geweben. Somit könnte diese Technologie vielversprechend für die nächste Generation von antimikrobiellen Therapien sein und eine sichere Lösung für die aktuelle Krise der antimikrobiellen Resistenz bieten.

Despite revolutionary advances in medicine, biotechnology and the biomedical field over the last decades, the effective management of microbial infections remains a persistent challenge. Moreover, the continued emergence of antimicrobial-resistant microbes poses a serious threat and is a matter of global concern. The resistance crisis we face today is a consequence of the excessive and in appropriate use of antibiotics, as well as the lack of invention of new antimicrobial strategies. Antimicrobial stewardship is now imperative and requires innovative approaches to combat infections in a safe, sustainable, yet efficient manner. The scientific work conducted within the framework of this thesis focused on the development of nonantibiotic antimicrobial biomaterials. For this purpose, particular inspiration is drawn fromsome of nature’s most efficient defense and survival mechanisms. Initially, this thesis focuses on the design of coatings that confer the surface of biomedical devices with stealth properties, shielding off bacterial adhesion and thereby reducing the risk of infection development. The coatings consist of polymer brushes and brush-like structures composed of (3-Methacryloylamino-propyl)-(2-carboxy-ethyl) dimethylammoniumcarboxybetaine methacrylamide (CBMAA) and N-(2-hydroxypropyl) methacrylamide (HPMA), which create physical and energetic barriers that effectively prevent the adsorption of bloodplasma proteins and the adhesion of pathogenic bacteria. Additionally, this thesis show cases a universal and readily applicable coating strategy for polymeric and metallic surfaces. This approach involves the synthesis of peptide-polymer hybrids that form a brush-like coating through site-directed adsorption on the surface, eliminating the need for laborious procedures or external energy input. Further, this thesis presents the innovative “Kill&Repel”strategy for antimicrobial coatings, which combines the synergistic effects of antifouling properties with a bacteriophage-inspired bactericidal strategy. The coating was formed in situ by the adsorption of peptide-polymer and peptide-endolysin hybrids on the surface. Coated surfaces effectively prevented the colonization and biofilm formation by Streptococcusagalactiae, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus pyogenes and Staphylococcus aureus. Moreover, the coating effectively eliminated bacteria in a simulated infection without allowing residues to adhere to the surface, demonstrating a self-cleaning mechanism that enables the coating to remain active for an extended period of time. Notably, the Kill&Repel coating is completely innocuous to mammalian cells and skin tissue. Next, this thesis introduces the unprecedented concept of accelerated “Artificial Phagocytosis”. This concept involves the usage of a new family of cell mimics based on amphiphilic ionically-linked combpolymers, which have the unparalleled ability to mimic a rudimentary form of phagocytosis.In a first stage, the engulfment of inanimate objects, such as silica and polystyrene nano- and microparticles was studied and demonstrated to be highly efficient compared to other cellmimics based on lipids as well as block and graft copolymers. It is discovered that their ability for superior and accelerated engulfment is attributed to their heterogeneous membrane composition, a rising from the random sequence distribution of the polymer components along and across chains in a single batch. This results in local curvature defects within the membrane, which reduce kinetic barriers facilitating intermediate states of the engulfment process. Ultimately, the superior phagocytic behavior of these cell mimics was leveraged against the predation of bacterial pathogens, including Escherichia coli, Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa, resulting in the effective killing of these pathogens within 60min. Additionally, these cell mimics exhibited great biocompatibility with organotypic tissues throughout prolonged incubation periods, showing promise as a next-generation antimicrobial therapy that can provide a safe solution to the current antimicrobial resistance crisis.

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