Staphylococcus epidermidis biofilms : in vitro characterization and development of an antibiotic-free treatment

Abstract

The emerging opportunistic pathogen Staphylococcus epidermidis has evolved to be one of the leading causes of nosocomial surgical sites-, blood- and medical device-related infections. Its ability to form biofilms on both biotic and abiotic surfaces, together with increased antibiotic resistance, further enhances the challenge in combating these bacteria as biofilm-associated cells have higher resilience to antimicrobial treatments. In this study, the main objectives were to map the extent of biofilm formation in a pool of S. epidermidis clinical strains, to develop a bacteriocin-based formulation to inhibit their growth, and to eradicate their established biofilms. Herein, the bacteriocins garvicin KS (GKS), micrococcin P1 (MP1), nisin A (Nis), runacin 1 (R1), and enterocin EJ97short (EJs) were shown to have antimicrobial effects towards all eight patient-derived S. epidermidis strains, which all were revealed to be strong biofilm formers. Unlike the individual bacteriocins which lost their potency during longer incubation, the three-component combination of GKS, MP1, and Nis was synergistic in inhibiting the growth of the planktonic S. epidermidis cells, as well as affecting their established biofilms. The presence of persister cells within the biofilms was also observed after exposure to the combinatorial treatment for 24 hours, highlighting their resilience to antimicrobial treatments. Although the treatment did not completely remove their biofilms, further investigations revealed that the overall structure of the biofilms was disrupted with morphological alterations in the biofilm-associated cells. More importantly, the antimicrobial activity of the combinatorial treatment was discovered to not only be restricted to the bacteriocins alone but could also be attributed to the vehicles that the bacteriocins were dissolved in. These findings demonstrate the potential of a bacteriocin-based formulation as an alternative treatment option for S. epidermidis. However, further studies on the presence of persister S. epidermidis cells, the problems related to the vehicles, and the physical properties of the formulation are required.

Det fremtredende opportunistiske patogenet Staphylococcus epidermidis har utviklet seg til å være en av de viktigste årsakene til sykehusrelaterte infeksjoner på operasjonssår, blod og medisinsk utstyr. Dens evne til å danne biofilm på både biotiske og abiotiske overflater, sammen med økt antibiotikaresistens, øker utfordringen med å bekjempe disse bakteriene ettersom biofilmassosierte celler har en høyere motstandskraft mot antimikrobielle midler. I denne studien var hovedmålene å kartlegge omfanget av biofilmdannelse i en samling av kliniske stammer av S. epidermidis, å utvikle en bakteriosin-basert formulering for å hemme deres vekst, og for å utrydde deres etablerte biofilmer. Her ble garvicin KS (GKS), mikrokoksin P1 (MP1), nisin A (Nis), runacin 1 (R1) og enterocin EJ97short (EJs) vist å ha antimikrobielle effekter mot alle de åtte pasientavledede S. epidermidis stammene, som også ble avslørt å være sterke biofilmdannere. I motsetning til de individuelle bakteriosinene som mistet sin effekt under lengre inkubering, viste den trekomponent-kombinasjonen av GKS, MP1 og Nis en synergistisk effekt i å hemme veksten av de planktoniske S. epidermidis cellene, samt påvirke deres etablerte biofilmer. Tilstedeværelse av persisterceller i biofilmene ble også observert etter eksponering av den kombinatoriske behandlingen i 24 timer, noe som fremhever deres motstandskraft mot antimikrobielle midler. Selv om den kombinatoriske behandlingen ikke helt fjernet deres biofilmer, avslørte ytterligere undersøkelser at den generelle strukturen til biofilmene ble forstyrret med morfologiske endringer i de biofilmassosierte cellene. Viktigere, den antimikrobielle aktiviteten til den kombinatoriske behandlingen ble oppdaget å ikke bare være begrenset til bakteriosinene alene, men kunne muligens også tilskrives til løsemidlene som bakteriosinene ble løst opp i. Disse funnene viser potensialet til en bakteriosin-basert formulering som et alternativt behandlingsmiddel for S. epidermidis. Imidlertid kreves det ytterligere studier av tilstedeværelsen av persister S. epidermidis-celler, problemene knyttet til løsningsmidlene og de fysiske egenskapene til den kombinatoriske formuleringen.