The development and evaluation of extracellular vesicles as a biocompatible anti-infective drug delivery system

Abstract

Approximately 700,000 people worldwide die from infections with antimicrobial-resistant bacteria annually. Extracellular vesicles (EVs) can help to delay or even prevent the development of this resistance by releasing high concentrations of antimicrobial agents specifically at the site of infection. In this context, vesicles derived from immune cells and myxobacteria were tested for the use as anti-infective drug delivery systems. Five main research objects were investigated: i) characterization of the vesicles, ii) storage stability iii) biocompatibility, iv) uptake in bacteria and cells and v) their antimicrobial activity against bacterial pathogens. The vesicles exhibited sufficient stability and showed exceptional biocompatibility with low endotoxin levels, minor cytokine release by primary immune cells and no toxicity in zebrafish larvae. Vesicles were taken up into bacteria, cells and the epithelial layer of a 3D gastrointestinal co-culture model. An inherent antibacterial effect against Escherichia coli was observed with vesicles derived from Cystobacter velatus. Non-inherently active vesicles were successfully loaded with a broad-spectrum antibiotic, which thus inhibited the growth of Shigella flexneri. The findings in this work demonstrate the exceptional properties of EVs to treat infections and provide the foundation for a successful translation towards clinical application.

Weltweit sterben jährlich ca. 700.000 Menschen an einer Infektion mit antimikrobiell resistenten Bakterien. Extrazelluläre Vesikel (EVs) können dazu beitragen, die Entwicklung der Resistenzen zu verzögern oder gar zu verhindern, indem sie gezielt am Ort der Infektion hohe Konzentrationen an antimikrobiellen Wirkstoffen freisetzen. In diesem Zusammenhang wurden Vesikel, von Immunzellen und Myxobakterien, auf ihre Verwendung als antiinfektive Wirkstofftransportsysteme getestet. Fünf Hauptforschungspunkte wurden untersucht: i) Charakterisierung der Vesikel, ii) Stabilität iii) Biokompatibilität, iv) Aufnahme in Bakterien und Zellen und v) ihre antimikrobielle Aktivität gegenüber Pathogenen. Die Vesikel wiesen eine ausreichende Stabilität auf und zeigten hohe Biokompatibilität mit niedrigen Endotoxinwerten, geringer Zytokinfreisetzung durch primäre Immunzellen und keine Toxizität in Zebrafischlarven. Die Vesikel wurden in Bakterien, Zellen und in die Epithelschicht eines 3D-Gastrointestinalen Kokulturmodells aufgenommen. Eine inhärente antibakterielle Wirkung gegen Escherichia coli wurde mit Vesikeln von Cystobacter velatus beobachtet. Nicht inhärent aktive Vesikel wurden erfolgreich mit einem Breitspektrum-Antibiotikum beladen, welche so das Wachstum von Shigella flexneri hemmten. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen auf die außergewöhnlichen Eigenschaften von EVs zur Behandlung von Infektionen und bilden die Grundlage für eine erfolgreiche Translation in die klinische Anwendung.