Myxobacteria-derived outer membrane vesicles as a drug delivery system to treat bacterial infections

Abstract

Bacterial infections represent a serious risk to public health globally. The World Health Organization (WHO) estimated that infections of the lower respiratory tract were the fourth leading cause of death worldwide in 2019, killing 2.6 million people. One of the main causes of such numbers is the development of antibiotic resistance by bacteria, a process facilitated by the misuse of antibiotic compounds in humans and in animals. The employment of nanomedicine can be explored for the development of new nanocarriers that can be used for the treatment of those infections, such as extracellular vesicles (EVs) and, more specifically, outer membrane vesicles (OMVs) derived from myxobacteria, which are natural producers of antibacterial compounds. In this thesis, OMVs were isolated from the strains Cystobacter velatus Cbv34 and Cystobacter ferrugineus Cbfe23 and were characterized. The OMVs’ effects on mammalian cells were promising, eliciting no negative impact in biocompatibility, and not significantly stimulating the release of pro-inflammatory cytokines. The OMVs were also successfully internalized by mammalian cells, thus able to decrease the proliferation rate of intracellular Staphylococcus aureus. Moreover, the myxobacterial OMVs were able to detach biofilm from surfaces and prevent their growth in a model subjected to fluid flow. The findings of this study demonstrate the substantial potential of the use of myxobacterial OMVs for the treatment of bacterial infections.

Bakterielle Infektionen sind eine globale Bedrohung der öffentlichen Gesundheit. Mit 2,6 Mio. Toten im Jahr 2019 hat die Weltgesundheitsorganisation Infektionen der unteren Atemwege mit als die vierthäufigste Todesursache eingeschätzt. Eine der Hauptursachen ist die von Bakterien entwickelte Antibiotikaresistenz, ein Prozess, der durch den Fehlgebrauch von Antibiotika bei Menschen und Tier vorangetrieben wird. Mit Hilfe der Nanomedizin können neue Trägersysteme entwickelt und für die Behandlung von Infektionen verwendet werden. Solche Partikel sind beispielsweise extrazelluläre Vesikel (EVs) oder genauer äußere Membranvesikel (OMVs) von Myxobakterien, welche als natürliche Produzenten antibiotischer Substanzen gelten. In dieser Arbeit wurden OMVs von den Stämmen Cystobacter velatus Cbv34 und Cystobacter ferrugineus Cbfe23 isoliert und charakterisiert. Die Wirkung von OMVs auf tierische Zellen war vielversprechend, da sie keinen negativen Einfluss auf die Biokompatibilität und keine signifikante Ausschüttung von proinflammatorischen Zytokinen bewirkt haben. Zudem wurden OMV erfolgreich von tierischen Zellen aufgenommen und waren daher fähig, die Proliferation von Staphylococcus aureus zu bremsen. Außerdem waren myxobakterielle OMV in einem Durchflussmodell in der Lage, Biofilm von Oberflächen zu lösen und deren Wachstum zu unterbinden. Die Erkenntnisse dieser Studie unterstreichen das Potential der Verwendung von myxobateriellen OMVs zur Behandlung bakterieller Infektionen.