Synthesis of Antimicrobial Surfaces and Compounds to Target Resistant Staphylococcus aureus

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6995-2
Title: Synthesis of Antimicrobial Surfaces and Compounds to Target Resistant Staphylococcus aureus
Author: Hassan, Ghada
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Pharmacy
Doctoral Programme in Drug Research
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021-02-20
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6995-2
http://hdl.handle.net/10138/325036
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Antibiotic resistance is a current threat to modern medicine. Not only is it challenging to treat but it also adds considerable costs to the healthcare systems. At the current rate of rising drug resistance, approximately 10 million people will die annually by 2050. The World Health Organization (WHO) has listed the six most threatening pathogens for which new antibiotics and approaches are urgently needed. One of the fastest evolving and most notorious Gram-positive bacteria in the list is Staphylococcus aureus. In addition to developing resistance to a vast number of antibiotics, this bacterium can attach to surfaces and form biofilms. This lifestyle allows bacteria to protect themselves from the immune system and impairs treatment. Thus, new innovative approaches and antibacterial agents are needed to fight bacterial resistance. As microbial adhesion is the first step of biofilm formation, the first aim of this study was to develop novel antibacterial surfaces to hamper the accumulation of antibiotic-resistant microbes. Cellulose is the most abundant natural polymer with various appealing characteristics. It is renewable, biocompatible, biodegradable, and possesses excellent mechanical properties. Cellulose nanofibers are prepared by mechanical disintegration of cellulose. Thin films of cellulose nanofiber can be prepared, and their surface can be modified to provide cellulose with new properties. Terpenoids such as abietic acid and dehydroabietic acid originating from conifer resin possess antibacterial and antifungal activities. We have previously shown that the amino acid-bearing derivatives of dehydroabietic acid possess antimicrobial properties. Herein, I report the design and the synthesis of new wide-spectrum contact-active non-leaching antibacterial cellulose nanofiber films by coupling the films with dehydroabietylamine, dehydroabietic acid and their derivatives. Different techniques and measurements were used to study the new biomaterials including contact angle (CA), streaming current measurements, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), atomic force microscopy (AFM), oxygen transmission rate (OTR), water vapor transmission rate (WVTR), scanning electron microscope (SEM), tensile strength, and Young’s modulus. Our unique design rendered four anionic surfaces highly active against the Gram-positive S. aureus, including the drug resistant methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) and the Gram-negative Escherichia coli. The proposed modes of action and the fact that the compounds are based on a new chemical class account for a low potential to spread resistance. Our most active material 87 was tested against bacterial colonization in both biofilm and artificial dermis models. The bacterial colonization was efficiently prevented in both models. Material 87 proved to be biocompatible as it nurtured fibroblast growth at its surface without causing significant hemolysis. Our originally designed surfaces represent a new class of renewable biomaterials suitable for biomedical applications. The second aim of this thesis was to develop a new class of pyrimidine derivatives against S. aureus biofilms. From our novel set of pyrimidines, compounds 89, 99e, and 100e displayed potent activities. They inhibited biofilm formation and were active against pre-formed biofilms of S. aureus ATCC 25923 and Newman strains with IC50 values ranging between 11.6 to 62.0 μM. The compounds were also effective against planktonic cells with minimum inhibitory concentration (MIC) values lower than 60 μM. Only marginal cytotoxicity was revealed against human Hep2 cells at concentrations comparable to their pre-exposure IC50 values. Overall, this study resulted in the synthesis of four new antibacterial biomaterials and 26 new pyrimidine derivatives. This thesis offers novel approaches to target one of the most dangerous antibiotic-resistant bacteria S. aureus and efficiently limit its proliferation.Antibioottiresistenssi eli bakteerien kehittämä vastustuskyky mikrobilääkkeille on maailmanlaajuinen vakava uhka. Nykyisellä kasvunopeudella antibioottiresistenssin ennustetaan johtavan noin 10 miljoonan ihmisen vuosittaiseen kuolemaan vuoteen 2050 mennessä. Maailman terveysjärjestö listaa nopeasti muuntuvan Staphylococcus aureus -bakteerin yhdeksi kuudesta uhkaavimmasta tauteja aiheuttavasta bakteerista, joita vastaan tarvitaan kiireellisesti uusia antibiootteja ja hoitomuotoja. Grampositiivinen S. aureus –bakteeri on kehittänyt vastustuskyvyn suurelle joukolle erilaisia mikrobilääkkeitä. Se voi kiinnittyä helposti monenlaisille pinnoille ja muodostaa biofilmejä, joiden avulla bakteerit voivat suojautua immuunijärjestelmältä ja heikentää hoidon vaikutusta. Koska mikrobien tarttuminen on biofilmin muodostumisen ensimmäinen vaihe, tämän tutkimuksen ensimmäisenä tavoitteena oli kehittää uusia antibakteerisia pintoja bakteerin mekaanisen tarttumisen estämiseksi. Antibakteeristen pintojen valmistamiseen käytettiin selluloosasta saatavaa nanoselluloosaa. Selluloosa on runsaasti esiintyvä luonnonpolymeeri, joka on uusiutuvaa, biologisesti yhteensopivaa ja biohajoavaa. Sitä on myös helppo valmistaa ja muokata nanokokoon erinomaisten mekaanisten, fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksiensa ansiosta. Havupuista peräisin olevilla diterpeenirakenteisilla sekundäärimetaboliiteilla, kuten abietiinihapolla ja dehydroabietiinihapolla, on bakteerien ja sienten vastaisia ominaisuuksia. Tutkimuksessa suunniteltiin uusia bakteerien vastaisia selluloosananokuitukalvoja, joihin sidottiin kovalenttisesti dehydroabietiiniamiinia, dehydroabietiinihappoa sekä näiden puolisynteettisiä johdannaisia. Valmistetuista negatiivisesti varautuneista anionisista pinnoista kaikki neljä osoittautuivat erittäin tehokkaiksi myös metisilliiniresistentin S. aureuksen (MRSA) ja gramnegatiivisen Escherichia colin tapauksissa. Tutkimuksessa selvitettiin myös antibakteeristen pintojen vaikutusmekanismeja. On mahdollista, että nämä uudet nanoselluloosaan sidotut diterpeenijohdannaiset estävät tauteja aiheuttavien bakteerien vastustuskyvyn leviämistä. Tehokkain bakteerien vastaisista nanoselluloosa- ja diterpeeniperustaisista väitöskirjatutkimuksen aikana valmistetuista materiaaleista (87) esti stafylokokkibakteerien kolonisoitumista sekä biofilmimalleissa että keinotekoisissa dermismalleissa. Tämä materiaali osoittautui myös biologisesti yhteensopivaksi, koska se edisti sidekudossolujen kasvua pinnallaan aiheuttamatta merkittävää hemolyysiä eli punasolujen hajoamista. Tutkimuksessa suunniteltiin ja syntetisoitiin myös uusia pyrimidiinijohdannaisia S. aureus -biofilmejä vastaan. Kolme yhdistettä, 89, 99e ja 100e osoittautuivat erittäin tehokkaiksi. Ne estivät stafylokokkibiofilmin muodostumista ja olivat aktiivisia myös S. aureus ATCC 25923- ja Newman-kantojen biofilmejä vastaan. Yhdisteiden IC50-arvot vaihtelivat 11,6 ja 62,0 μM:n välillä. Yhdisteet olivat tehokkaita myös planktonisesti kasvatettuja bakteerisoluja vastaan (MIC < 60 M). Ihmisen Hep2-soluja vastaan havaittiin vain marginaalista sytotoksisuutta yhdistepitoisuuksilla, jotka olivat verrattavissa niiden IC50-arvoihin ennen altistusta. Tämä väitöskirjatutkimus johti neljän uuden abietaani-diterpeeneihin ja nanoselluloosaan perustuvan antibakteerisen biomateriaalin sekä 26 uuden pyrimidiinijohdannaisen synteesiin. Lisäksi tutkimus tuotti uusia lähestymistapoja yhtä vaarallisimmista antibiooteille vastustuskykyistä bakteeria, S. aureusta, vastaan.
Subject: pharmaceutical Chemistry, Faculty of Pharmacy
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
hassan_ghada_dissertation_2021.pdf 2.013Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record