Explorando a atividade antimicrobiana e antibiofilme de nanopartículas de prata biogênicas

Abstract

A resistência aos antimicrobianos é um dos maiores desafios para a saúde pública global, pois reduz a eficácia dos tratamentos convencionais, aumentando a morbidade e a mortalidade. Além disso, a formação de biofilmes por microrganismos patogênicos e resistentes, como Staphylococcus aureus resistente à meticilina (MRSA), Klebsiella pneumoniae produtora de carbapenemase (KPC) e Candida albicans, agrava ainda mais o cenário, pois as infecções ficam ainda mais difíceis de erradicar e o microrganismo permanece por mais tempo no ambiente. Diante da necessidade de novas estratégias antimicrobianas, as nanopartículas de prata (AgNPs) têm sido amplamente estudadas devido à sua potente atividade antimicrobiana e antibiofilme. Neste contexto, este estudo teve como objetivo avaliar e comparar a atividade antimicrobiana e antibiofilme de AgNPs biossintetizadas por microrganismos (biogênicas; AgNP B) com AgNPs sintetizadas quimicamente (AgNP Q). Para isso, AgNPs biogênicas foram produzidas utilizando uma bactéria como agente redutor dos íons de prata. A atividade antimicrobiana e antifúngica foi determinada contra diversas cepas e isolados microbianos por ensaios de microdiluição em caldo, para estabelecer a concentração inibitória mínima (CIM) e a concentração bactericida/fungicida mínima (CBM/CFM). Além disso, a atividade antibiofilme foi avaliada para MRSA e C. albicans por meio de ensaios de inibição e degradação do biofilme, utilizando ensaios in vitro em placas de microtitulacão. A microscopia eletrônica de varredura foi utilizada para visualizar os efeitos das AgNPs sobre a estrutura do biofilme pré-formado. A atividade virucida também foi avaliada. Os resultados demonstraram que as AgNP B apresentaram maior atividade antimicrobiana e antifúngica em comparação com as AgNP Q, sendo eficazes contra patógenos multirresistentes, como MRSA e Klebsiella pneumoniae produtora de KPC, em concentrações significativamente menores. Além disso, as AgNP B inibiram de maneira mais eficiente a formação de biofilmes e promoveram uma degradação mais rápida de biofilmes pré-formados. A microscopia eletrônica revelou que as AgNP B causaram redução evidente no número de células bacterianas e da matriz do biofilme. No entanto, não foi observada atividade antivirucida relevante. A maior eficácia das AgNP B contra microrganismos celulares pode estar associada à presença de metabólitos microbianos e proteínas da membrana bacteriana na superfície das nanopartículas, que potencializam sua interação com as células-alvo. Os achados deste estudo destacam o potencial das AgNP B como uma alternativa promissora e mais sustentável, quando comparada às AgNP Q, para o controle de microrganismos resistentes a antibióticos e formadores de biofilme. Essas AgNPs podem ser exploradas no desenvolvimento de novos antimicrobianos e desinfetantes, tanto na área clínica quanto industrial. A nanotecnologia aplicada ao combate à resistência aos antimicrobianos representa um avanço significativo no desenvolvimento de estratégias inovadoras para mitigar os impactos das infecções resistentes, minimizando os efeitos adversos associados a resistência.

Abstract: Antimicrobial resistance is one of the greatest challenges to global public health, as it reduces the effectiveness of conventional treatments, increasing morbidity and mortality. Additionally, biofilm formation by pathogenic and resistant microorganisms, such as methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA), carbapenemase-producing Klebsiella pneumoniae (KPC), and Candida albicans, further exacerbates the situation, making infections even more difficult to eradicate and allowing the microorganism to persist longer in the environment. Given the need for new antimicrobial strategies, silver nanoparticles (AgNPs) have been widely studied due to their potent antimicrobial and antibiofilm activity. In this context, this study aimed to evaluate and compare the antimicrobial and antibiofilm activity of biosynthesized AgNPs (biogenic; AgNP B) with chemically synthesized AgNPs (AgNP C). For this purpose, AgNP B were produced using a bacterium as a reducing agent for silver ions. Antimicrobial and antifungal activity was determined for various microbial strains through broth microdilution assays to establish the minimum inhibitory concentration (MIC) and the minimum bactericidal/fungicidal concentration (MBC/MFC). Furthermore, antibiofilm activity was evaluated for MRSA and C. albicans through biofilm inhibition and degradation assays using in vitro microtiter plate tests. Scanning electron microscopy was employed to visualize the effects of the NPs on microbial cells and biofilm structure. Virucidal activity was also assessed. The results demonstrated that AgNP B exhibited greater antimicrobial and antifungal activity compared to AgNP C, being effective against multidrug-resistant pathogens such as MRSA and KPC-producing Klebsiella pneumoniae at significantly lower concentrations. Moreover, AgNP B more efficiently inhibited biofilm formation and promoted faster degradation of pre-formed biofilms. Electron microscopy revealed that AgNP B caused a noticeable reduction in the number of bacterial cells and the biofilm matrix. However, no relevant virucidal activity was observed. The higher efficacy of AgNP B against cellular microorganisms may be associated with the presence of microbial metabolites and bacterial membrane proteins on the nanoparticle surface, which enhance their interaction with target cells. The findings of this study highlight the potential of AgNP B as a more promising and sustainable alternative, compared to AgNP C, for controlling antibiotic-resistant and biofilm-forming microorganisms. These NPs can be explored for the development of new antimicrobials and disinfectants in both clinical and industrial applications. Nanotechnology applied to combating antimicrobial resistance represents a significant advancement in the development of innovative strategies to mitigate the impact of resistant infections while minimizing the adverse effects associated with resistance.