Mesoporous silica based devices as new delivery tools in bacteria

In this present work, mesoporous silica nanoparticles were evaluated as possible drug-delivery platforms. Three different types of mesoporous silica nanoparticles, MNs, MNs@EPI and SPION@2D-MNs, were synthesized and characterized. These nanomaterials were then subjected to loading assays of epirubicin, doxorubicin and ofloxacin, both in a single and dual-loading perspective. Both epirubicin and doxorubicin presented the highest loading percentages and encapsulation efficacies, when in comparison with ofloxacin. These different loading percentages are tightly connected with electrostatic interactions between the drugs and the matrix. These loaded nanomaterials were then subjected to in vitro release assays at both pH 7.4 and pH 4.0, which revealed increased release percentages at more acidic pH values, indicating the system presents pH sensitivity for drug release. Antibacterial assays with both Gram-negative and Gram-positive bacteria were also performed for all previously obtained nanomaterials. The most effective formulation was ofloxacin loaded MNs@EPI (MNs@EPI-OFLO) due to the presence of synergetic effects between the drug and the matrix. Synergy was also detected for cocktails containing epirubicin and ofloxacin in formulations with MNs and SPION@2D-MNs as matrixes. A new protocol for assessment of bacterial viability was also developed. Herein Escherichia coli (ATCC®8739TM) was transformed with a plasmid that confers constitutive bioluminescence to bacteria. Phenotypic characteristics confirmation, antibiotic susceptibility and temporal growth assays were performed to ensure the integrity of the strain and optimize the conditions in which the assay was conducted. Subsequently, the luminescent E.coli was employed for the assessment of the antibacterial activity of previously assayed nanomaterials. Results obtained with luminescent bacteria were similar to the ones obtained with non-luminescent E.coli, verifying the reliability of the assay. Luminescence measurements allow for an easy and quick detection of metabolic response in bacteria, enabling a thorough detection of antibacterial activity of a wide variety of samples. Neste trabalho, nanopartículas mesoporosas de sílica foram avaliadas como possíveis plataformas para drug-delivery. Três diferentes tipos de nanopartículas mesoporosas de sílica, MNs, MNs@EPI e SPION@2D-MNs foram sintetizadas e caracterizadas. Estes nanomateriais foram sujeitos a ensaios de carregamento de epirubicina, doxorubicina e ofloxacina, tanto numa perspetiva singular como dupla. Tanto a epirubicina como a doxorubicina apresentaram percentagens de carregamento e eficácia de encapsulamento mais elevadas, em comparação com a ofloxacina. Estas percentagens de carregamento diferentes estão estreitamente relacionadas com interações eletrostáticas entre os fármacos e a matriz. Estes nanomateriais carregados foram então sujeitos a ensaios de libertação in vitro a pH 7.4 e pH 4.0, o que revelou um incremento nas percentagens de libertação a valores de pH mais acídicos, indicando que o sistema exibe sensitividade ao pH quanto à libertação de fármacos. A atividade antibacteriana de todos os nanomateriais anteriormente obtidos foi testada em bactérias, tanto Gram-positivas como Gram-negativas. A formulação mais eficaz foi MNs@EPI carregada com ofloxacina (MNs@EPI-OFLO), devido à presença de efeitos sinérgicos entre os fármacos e a matriz. Foi igualmente verificado um efeito de sinergia em cocktails contendo epirubicina e ofloxacina em formulações apresentando MNs e SPION@2D-MNs como matrizes. Um novo protocolo para a determinação de viabilidade bacteriana foi também desenvolvido. Para esse fim, procedeu-se à transformação de Escherichia coli (ATCC® 8739TM), bactéria utilizada nos ensaios de atividade antimicrobiana, com um plasmídeo que confere bioluminescência constitutiva. Após a transformação foram efetuados ensaios de confirmação das características fenotípicas e de suscetibilidade a antibióticos, bem como curvas de crescimento temporal para assegurar a integridade da estirpe e otimizar as condições nas quais o ensaio foi realizado. Subsequentemente, as bactérias E. coli luminescentes foram utilizadas para a determinação do potencial antimicrobiano dos nanomateriais anteriormente testados. Os resultados obtidos nestes ensaios foram semelhantes aos obtidos com as bactérias não-luminescentes, verificando a fiabilidade do mesmo. As medições de luminescência permitem uma fácil e rápida deteção de respostas metabólicas em bactérias, possibilitando uma deteção da atividade antibacteriana de uma grande variedade de amostras.