Desvendando os impactos das nanopartículas de ZnO e ZnS em bactérias formadoras de biofilme: insights sobre genes reguladores, respostas metabólicas e alterações morfológicas em Staphylococcus aureus, Klebsiella oxytoca e Pseudomonas aeruginosa por avaliações in vitro e in vivo

Abstract

Introdução: A formação de biofilme é uma estratégia de sobrevivência empregada por certas bactérias para prosperar em condições adversas, promovendo a resistência antimicrobiana. Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa e Klebsiella oxytoca são patógenos notáveis que produzem biofilme. As nanopartículas, especificamente o óxido de zinco (ZnO) e o sulfeto de zinco (ZnS), estão surgindo como agentes antimicrobianos promissores devido à sua eficácia contra bactérias e biofilmes. Objetivo: investigar o impacto das nanopartículas de óxido de zinco e sulfeto de zinco no crescimento de S. aureus Gram-positivo e P. aeruginosa e K. oxytoca Gram-negativo, bem como na formação de biofilme. Foram realizadas análises de expressão gênica e experimentos in vivo usando um modelo de ferida cutânea murina. Métodos: As suspensões bacterianas em meio líquido Müller-Hinton foram tratadas com várias concentrações de nanopartículas de ZnO e ZnS por 24 horas a 37°C. A viabilidade celular foi avaliada usando o ensaio XTT. As concentrações inibitórias mínimas foram determinadas e os efeitos inibitórios sobre a formação de biofilme foram confirmados por meio de microscopia eletrônica de varredura e microscopia confocal de varredura a laser. A análise de PCR foi realizada para avaliar o efeito das nanopartículas nos perfis de expressão gênica bacteriana. Os experimentos in vivo envolveram a criação de feridas padronizadas em camundongos BalbC, com algumas feridas tratadas com nanopartículas. Os tecidos das feridas foram analisados quanto à carga bacteriana e às alterações histológicas. Resultados: Tanto as nanopartículas de óxido de zinco quanto as de sulfeto de zinco apresentaram efeitos inibitórios na formação de biofilme bacteriano. Notavelmente, o ZnS demonstrou eficácia superior em comparação com o ZnO, particularmente em concentrações mais baixas. A análise de PCR revelou uma regulação negativa significativa da expressão gênica em Pseudomonas aeruginosa tratada com nanopartículas ZnS. Estudos in vivo em camundongos BalbC corroboraram essas descobertas, mostrando uma carga bacteriana reduzida e resultados histológicos favoráveis em feridas tratadas com nanopartículas. Conclusão: As descobertas apoiam as possíveis aplicações de nanopartículas de sulfeto de zinco em vários contextos, incluindo preservação industrial de alimentos, dispositivos médicos e curativos de feridas, onde a formação de biofilme representa um risco de infecção.

Introduction: Biofilm formation is a survival strategy employed by certain bacteria to thrive in adverse conditions, promoting antimicrobial resistance. Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa and Klebsiella oxytoca are notable pathogens that produce biofilm. Nanoparticles, specifically zinc oxide (ZnO) and zinc sulfide (ZnS), are emerging as promising antimicrobial agents due to their effectiveness against bacteria and biofilms. Objective: To investigate the impact of zinc oxide and zinc sulfide nanoparticles on the growth of Gram-positive S. aureus and Gram-negative P. aeruginosa and K. oxytoca, as well as on biofilm formation. Gene expression analysis and in vivo experiments were carried out using a murine skin wound model. Methods: Bacterial suspensions in Müller-Hinton liquid medium were treated with various concentrations of ZnO and ZnS nanoparticles for 24 hours at 37°C. Cell viability was assessed using the XTT assay. Minimum inhibitory concentrations were determined and inhibitory effects on biofilm formation were confirmed using scanning electron microscopy and confocal laser scanning microscopy. PCR analysis was carried out to evaluate the effect of the nanoparticles on bacterial gene expression profiles. The in vivo experiments involved the creation of standardized wounds in BalbC mice, with some wounds treated with nanoparticles. The wound tissues were analyzed for bacterial load and histological changes. Results: Both ZnO and ZnS nanoparticles showed inhibitory effects on bacterial biofilm formation. Notably, ZnS showed superior efficacy compared to ZnO, particularly at lower concentrations. PCR analysis revealed a significant down-regulation of gene expression in Pseudomonas aeruginosa treated with ZnS nanoparticles. In vivo studies in BalbC mice corroborated these findings, showing a reduced bacterial load and favorable histological results in nanoparticle-treated wounds. Conclusion: The findings support the possible applications of zinc sulfide nanoparticles in various contexts, including industrial food preservation, biofilm inhibition, medical devices and wound dressings, where biofilm formation poses a risk of infection.