Investigation of the antimicrobial activities of polyphenols on biofilm-forming bacteria and characterization of polyphenol loaded-bone cements

Abstract

Bakteriler hızla antibiyotik direnci geliştirdiğinden, patojen bakterilerin neden olduğu enfeksiyonların önlenmesi veya tedavi edilmesi giderek zorlaşmaktadır. Periprostetik eklem enfeksiyonlarının tedavisinde antibiyotik yüklü kemik çimentolarının kullanılması enfeksiyon oranını azaltsa da, antimikrobiyal maddelerin yavaş salınımı antibiyotik direncini tetikleyebilmektedir. Bu nedenle bitkilerin sekonder metabolitleri olan polifenoller antimikrobiyal etkileri nedeniyle popülerlik kazanmıştır. Bu çalışmanın amacı iki farklı sınıf polifenolün (bir fenolik asit olan 3-HPAA ve bir flavonoid olan apigenin) biyofilm oluşturan patojen bakteriler üzerindeki antimikrobiyal etkilerini araştırmak ve 3-HPAA, apigenin, gentamisin, ve bunların kombinasyonları yüklü kemik çimentosu örneklerinin antimikrobiyal, sitotoksik ve mekanik dayanım özelliklerini incelemektir. Bu çalışma ile 3-HPAA'nın antibiyofilm özellikleri, 3-HPAA'ya karşı bakteriyel direnç gelişimi ve 3-HPAA veya apigenin yüklü kemik çimentosu örneklerinin karakterizasyonu ilk kez incelenmiştir. Bu amaçla 3-HPAA'nın antimikrobiyal ve antibiyofilm etkileri ve ardından 3-HPAA'ya karşı bakteriyel direnç gelişimi araştırılmıştır. Sonuç olarak 3-HPAA'nın MRSA ve P. aeruginosa üzerinde antimikrobiyal etki gösterdiği ve bu bakterilerin gentamisine direnç geliştirip 3-HPAA'ya direnç geliştirmediği belirlenmiştir. Ek olarak, gentamisin yüklü kemik çimentosu örneklerine 3-HPAA ve apigenin eklenmesinin antimikrobiyal etkileri altı farklı patojenik bakteri üzerinde farklılık göstermiş ve insan hücre hatları üzerinde herhangi bir sitotoksisite gözlemlenmemiştir. Son olarak 3-HPAA yüklü kemik çimentosu örnekleri, boş ya da gentamisin yüklü kemik çimentosu örneklerine kıyasla daha elastik ve dayanıklı gözlemlenmiştir.

Preventing or treating infections caused by pathogenic bacteria is becoming increasingly difficult as bacteria rapidly develop antibiotic resistance. Although the usage of antibiotic-loaded-bone cement in the treatment of periprosthetic joint infections reduces the infection rate, the development of antibiotic resistance is becoming a threat. Alternatively, polyphenols have gained popularity for their antimicrobial effects. This study aims to investigate the antimicrobial and antibiofilm effects of two different classes of polyphenols, 3-hydroxyphenylacetic acid (3-HPAA), a phenolic acid, and apigenin, a flavonoid, on biofilm-forming pathogenic bacteria and the development of bacterial resistance against 3-HPAA and gentamicin. It also aims to investigate and characterize 3-HPAA, apigenin, gentamicin, and their combinations-loaded bone cement samples in terms of antimicrobial, cytotoxic, and mechanical strength properties. For the first time, the antibiofilm properties of 3-HPAA, bacterial resistance development against 3-HPAA, and the characterization of bone cement samples loaded with 3-HPAA and apigenin were examined. As a result, it was found that 3-HPAA had an antimicrobial effect on MRSA and P. aeruginosa, which developed resistance to gentamicin but not to 3-HPAA. Additionally, the antimicrobial effects of adding 3-HPAA and apigenin to gentamicin-loaded bone cement samples varied on six different pathogenic bacteria, and no cytotoxicity was observed on human cell lines. Lastly, 3-HPAA-loaded bone cement samples increased the elasticity and mechanical strength compared to plain or gentamicin-loaded bone cement samples.