Synergistic effect of AMPs conjugated AuNPs against Gram-positive and Gram-negative bacteria

Abstract

The market of dental implants has been growing due to the continuous increase in the number of patients that resort to this therapeutic method. Dental implants-associated infections are one of the major causes for implant failure, which represents a big burden for the healthcare system and the patients worldwide. So far, coatings reported on the implants have either antimicrobial or tissue regeneration potential. Therefore, the design of multifunctional coatings capable of killing microorganisms and enhancing the tissues regeneration is needed to promote the success of the dental implants.Here we studied the potential synergistic effect of two antimicrobial peptides (AMPs), cecropin-melittin (CM) and LL37, immobilized on gold nanoparticles (AuNPs). AMPs-AuNPs were characterized through UV-Vis spectroscopy, zeta potential and transmission electron microscopy (TEM) analysis. CM peptides have a potent antimicrobial activity, while LL37 peptides have tissue regeneration properties, in addition to the antimicrobial properties. The antimicrobial activity of individual and combined AMPs-AuNPs (CM-AuNPs and LL37-AuNPs) was evaluated against Gram-negative (E. coli) and Gram-positive bacteria (S. aureus and E. faecalis), in 1:50 diluted media, using the bacterial growth kinetics and bacterial plating methods. The effects of AMPs-AuNPs on bacterial membrane permeability were also studied using genetically engineered bacteria. Results showed that both single (40 ug/mL CM-AuNPs and 60 ug/mL LL37-AuNPs) and combined AMPs-AuNPs have high antimicrobial activity, preventing bacterial colonization. However, the combination of both AMPs (20 ug/mL CM-AuNPs + 40 ug/mL LL37-AuNPs and 40 ug/mL CM-AuNPs + 40 ug/mL LL37-AuNPs) are more effective in permeabilizing bacterial membranes, especially, the inner bacterial membrane. Scanning electron microscopy analysis also indicates the damage in bacteria.In summary, the combination of two different AMP-AuNPs shows very promising antimicrobial activity, indicating that both NPs could be used to coat dental implants to incur antimicrobial and tissue regeneration properties.

O mercado de implantes dentários tem vindo a crescer devido ao contínuo aumento do número de pacientes que recorre a este método terapêutico. Infeções associadas aos implantes dentários são uma das maiores causas que leva à falha dos implantes, o que representa uma grande sobrecarga para o sistema de saúde e para os pacientes, a nível global. Até ao momento os revestimentos aplicados em implantes têm propriedades antimicrobianas ou potencial de regenerar os tecidos. Assim, o desenvolvimento de revestimentos multifuncionais capazes de matar microorganismos e promover a regeneração dos tecidos é necessário para aumentar o sucesso terapêutico dos implantes dentários. Neste projeto, estudou-se o potencial efeito sinergético de dois péptidos antimicrobianos (AMPs), cecropina-melitina (CM) e LL37, imobilizados em nanopartículas de ouro (AuNPs). As AMPs-AuNPs foram caracterizadas através de espectroscopia UV-Vis, potencial zeta e análise por microscopia eletrónica de transmissão (TEM). Os péptidos CM têm uma potente atividade antimicrobiana, enquanto os péptidos LL37 têm propriedades regenerativas, para além das antimicrobianas. A atividade antimicrobiana individual e combinada das AMPs-AuNPs (CM-AuNPs e LL37-AuNPs) foi avaliada contra bactérias Gram-negativas (E. coli) e Gram-positivas (S. aureus e E. faecalis), em meio diluído 1:50, usando os métodos de cinética de crescimento bacteriano e o de plaqueamento de bactérias. O efeito das AMPs-AuNPs sobre a permeabilidade da membrana das bactérias foi também estudado, usando bactérias geneticamente modificadas. Os resultados mostraram que quer individualmente (40 ug/mL CM-AuNPs e 60 ug/mL LL37-AuNPs), quer combinadas, as AMPs-AuNPs têm elevada atividade antimicrobiana, prevenindo a colonização bacteriana. Contudo, a combinação de ambas as AMPs (20 ug/mL CM-AuNPs + 40 ug/mL LL37-AuNPs e 40 ug/mL CM-AuNPs + 40 ug/mL LL37-AuNPs) é mais eficaz na permeabilização das membranas das bactérias, especialmente a membrana interior. A análise por microscopia eletrónica de varrimento também mostra o dano causado nas bactérias.Em suma, a combinação de duas AMPs-AuNPs diferentes mostra uma atividade antimicrobiana muito promissora, o que indica que ambas as NPs podem ser usadas para revestir implantes dentários com propriedades antimicrobianas e de regeneração de tecidos.