Investigation and disruption of bacterial biofilms in the veterinary medicine  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
121346
Type PD
Principal investigator Jerzsele, Ákos
Title in Hungarian Az állatgyógyászati bakteriális biofilmek vizsgálata, károsításának lehetőségei
Title in English Investigation and disruption of bacterial biofilms in the veterinary medicine
Keywords in Hungarian biofilm, biofilmellenes anyag, állatgyógyászat
Keywords in English biofilm, antibiofilm agent, veterinary
Discipline
Epidemiology, veterinary microbiology (Council of Complex Environmental Sciences)60 %
Veterinary sciences (Council of Complex Environmental Sciences)30 %
Ortelius classification: Animal health
Zoonozes (Council of Complex Environmental Sciences)10 %
Panel Plant and animal breeding
Department or equivalent Department of Pharmacology and Toxicology (University of Veterinary Medicine Budapest)
Starting date 2016-10-01
Closing date 2019-09-30
Funding (in million HUF) 15.090
FTE (full time equivalent) 2.10
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

Kutatásunk 4 fő irányvonala a következő:

1. A biofilmképző kórokozók prevalenciájának meghatározása kérődzők tőgygyulladását, illetve társállatok bőrgyógyászati fertőzéseit okozó P. aeruginosa és Staphylococcus aureus és S. pseudintermedius törzseken

A vizsgálatnak ebben a szakaszában közegészségügyi szempontból fontos fertőzésekből izolált baktériumokat vizsgálunk. Elsősorban kérődzők tőgygyulladásaiból, továbbá társállatok bőrgyógyászati fertőzéseiből izolált kórokozók esetében vizsgáljuk a biofilmképző képességük arányát (microtiter plate módszer, Alamar Blue assay, kongóvörös festés, l. angol nyelvű kísérleti terv).

2. Különböző quorum sensing- és biofilm-asszociált gének jelenlétének, illetve a biofilm antibiotikum-érzékenységének összefüggés-vizsgálata

Ezzel a vizsgálattal arra a kérdésre próbálunk választ találni, hogy bizonyos gének jelenléte megnöveli-e egy adott (vagy az összes) antibiotikummal szembeni érzékenységet. Kérdés továbbá, hogy ilyen genetikai módszerekkel meg tudjuk-e becsülni a bakteriális biofilm antibiotikum-érzékenységét. Az in vitro tesztek ugyanis a baktériumok planktonikus formáit vizsgálják, így in vivo nem alkalmasak az érzékenység előrejelzésére.

3. Staphylococcusok és P. aeruginosa biofilmek károsítására alkalmas hatóanyagok keresése

4. Szinergizmus-vizsgálatok bizonyos biofilm-ellenes anyagok (3. pont) és antibiotikumok, illetve dezinficiensek között

Összefoglalva, fő célunk a biofilmekkel kapcsolatos diagnosztikai lehetőségek bővítése, valamint az antibiotikumok hatékonyságának növelése, így közvetve használatuk csökkentése.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

A kutatás alapkérdése, hogy milyen gyakran fordulnak elő az állatgyógyászatban biofilmképző baktériumok, illetve, hogy a biofilmképzés hogyan befolyásolja egyes baktériumok túlélőképességét, különös tekintettel az antibiotikummal és fertőtlenítőszerekkel szembeni érzékenységüket. További fontos kérdés, hogy következtethetünk-e bizonyos gének jelenlétéből a biofilm antibiotikum-érzékenységére. Ha a fenti kérdésekre választ adunk, akkor meg kell fontolnunk az in vitro érzékenységi vizsgálatok gyakorlatban való alkalmazhatóságát, ugyanis ezeknél a vizsgálatoknál kizárólag planktonikus formákat vizsgálunk.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A kutatásban elért eredmények az állatorvosi klinikai gyakorlatban hasznosítható információkkal szolgálhatnak. Az állatorvoslás és a humán gyógyászat között nagy különbség, hogy előbbinél a biofilmek elsősorban helyi elváltozásokban (pl. mastitis, otitis, dermatitis) játszanak fontos szerepet, ezért az esetlegesen hatékonynak bizonyuló biofilmellenes anyagok szisztémás toxicitása kevéssé jelentős, mint a huám orvoslásban, hiszen helyi kezelésekkel is károsíthatók lesznek a bakteriális biofilmek.
A kísérletsorozatban talált hatékony szerek elősegíthetik az antibiotikum-használat csökkentését, így a rezisztencia terjedése is visszaszorítható. Mind a rezisztencia csökkentése, mind a kórokozó bakteriális biofilmek hatékony károsítása (tejben, társállatok bőrén) közegészségügyi szereppel is bír.

Jelen téma állatgyógyászati vonalon alig vizsgált. Hazai vizsgálója a témának tudomásunk szerint nincs, nemzetközi szinten is évente minimális számú publikáció jelenik meg a témában. A pályázat erőssége ezeknek a "fehér foltok"-nak a feltárása, és a közegészségügyi szempontból fontos baktériumok, illetve antibiotikumok visszaszorítása.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.

A baktériumok és gombák által képzett biofilmek olyan közösségek, melyekben a kórokozók egy őket körülvevő mátrixba ágyazottan foglalnak helyet. A biofilmekben a kórokozók érzékenysége a legtöbb környezeti tényezőre, így az antibiotikumokra is jelentősen csökken. Vizsgálatunkban a háziállatokban (kérődzők, társállatok) gyakran előforduló baktériumok biofilmképzésének gyakoriságát vizsgáljuk (pl. tőgyben, bőrön), hiszen ezek közvetlen kapcsolatban lehetnek a fogyasztóval, illetve az állat tulajdonosával. Kísérletsorozatunkban olyan anyagokat keresünk, melyekkel a biofilmek károsíthatók, elpusztíthatok. Ezeknek az anyagoknak a felhasználásával szeretnénk elősegíteni az antibiotikumok hatását, illetve csökkenteni ennek a fontos gyógyszer-csoportnak a felhasználását, így következményesen a bakteriális rezisztencia terjedését. A téma közegészségügyi vonatkozása tehát jelentős, vizsgálataink egyik fő közvetett célja az állatokkal, illetve az állati termékekkel kapcsolatba kerülő emberek egészségének megőrzése.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

There are 4 main goals and phases of our study.

1. Determination of the prevalence of biofilm production in P. aeruginosa and staphylococci isolated from
bovine mastitis and companion animal dermatological cases.

In this phase of the study bacteria of public health significance are collected and investigated. Bacteria will be isolated primarily from skin, ear and milk samples, and their biofilm producing capabilities are described (microtiter plate assay, Alamar Blue assay, Congo Red method etc.)

2. Investigation of correlation between different quorum sensing and biofilm related genes and antibiotic
resistance pattern – finding a possible way to predict in vivo susceptibility of bacteria

In this phase we would like to reveal whether the presence of certain biofilm associated genes can decrease susceptibility to certain (or all) antibiotics. A further question, whether this analysis is able to predict antibiotic sensitivity of biofilms, remains to be clarified. Namely, in vitro studies only determine the sensitivity of planktonic forms, thus do not reflect in vivo efficacy.

3. Searching for substances able to prevent or disrupt P. aeruginosa and staphylococcal biofilms

4. Evaluating synergy between antimicrobial agents, disinfectants and anti-biofilm agents

In summary, our primary goals are to extend diagnostic possibilities regarding bacterial biofilms, help to reduce antibiotic consumption and thus indirecty, prevent the spread of antibiotic resistance.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

The primary aim of this research is to determine the prevalence of biofilm production among P. aeruginosa and staphylococci of animal origin, and to find active substances that disrupt bacterial biofilms, and can
potentially be put to use in the treatment of veterinary infections (e.g. mastitis, dermatitis, otitis) that might
have significant public health risks. Finding synergistic antibiofilm-antibiotic combinations could contribute
to the combat against multiresistant pathogenic bacteria. Additionally, investigation of correlation between certain biofilm associated genes and antimicrobial susceptibility is one goal of the study, which can then be utilized to predict in vivo susceptibility of these bacteria.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

Our results can provide effective, nontoxic antibiofilm substances that might help veterinarians combat
biofilms more effectively. An important difference between the human and veterinary medicine, that biofilms in animals can be accessed via topical therapy (e.g. mastitis, dermatitis, otitis), thereby toxicity is less of an issue. Finding synergistic combinations with antibiotics will be useful in eradicating
biofilms from mastitis (food chain significance) and dermatological cases (direct owner contact). Most
importantly, with the utilization of these active agents and combinations, antibiotic consumption might be
decreased, which can have a great impact on public health. Long term, this can lead to decreased levels of
drug residues and bacterial burden in foodstuff for human consumption, and play a role in preventing antibiotic resistance.

At the present time this topic is widely open to explore, as veterinary biofilm research has just started. National publications are not present, and international articles have only appeared in the last some years. The strength of this project is to unveil these unexplored areas, which can help us to fight bacteria more effectively and decrease antibiotic usage.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.

Biofilms are microorganism communities, in which bacteria and fungi are embedded in a matrix, surrounding and protecting them. The sensitivity of these pathogens is significantly reduced against environmental factors, including antibiotics. In our study, the prevalence of biofilm producing bacteria is analyzed in domestic animals (ruminants, companion animals), especially on those areas that might come in direct or indirect contact of humans (skin, ear, udder) as owners or consumers.
In the course of this study such substances are planned to be revealed, that might help us to disrupt or destroy bacterial biofilms.
With the utilization of these substances we can enhance the effectivity of antibibiotics, and decrease the consumption of these critically important drugs, thereby decreasing the spread bacterial resistance.
The public health relation of this project is significant, as our indirect goal is to maintain the health of humans coming in contact with animals or animal products.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A ZÁRÓJELENTÉS BIZALMAS INFORMÁCIÓKAT IS TARTALMAZ, SZABADALMI ELJÁRÁS ALAPJÁT KÉPEZIK. KÉRJÜK KEZELJÉK A LEHETŐSÉGEKHEZ MÉRTEN BIZALMASAN. Kutatásunk során nagyszámú patogén baktériumtörzset gyűjtöttünk, amelyekkel vizsgálatainkat a későbbiekben elvégeztük. Kutyákból izolált P. aeruginosa (n=73) és S. pseudintermedius (n=80) törzsek, valamint szarvasmarhából izolált S. aureus (n=4) biofilmtermelését vizsgáltuk. Két törzs kivételével az összes P. aeruginosa termelt biofilmet, a staphylococcusok közül 10 kivételével szintén az összes biofilmképző, kiemelendő ezen baktériumok biofilmjeinek klinikai relevanciáját. Pseudomonasok esetében azok genomjában PCR-módszerrel kimutattuk a három, általunk választott, a biofilmképzés hátterében álló gént (pelA, pelC és pelE), amelyek az összes vizsgált biofilmtermelő törzsnél előfordultak. Különböző festési eljárásokkal mind staphylococcusok, mind P. aeruginosa esetében 6-9 óránál tapasztaltuk a biofilmképzés csúcsát, ilyen biofilmeken végeztük vizsgálatainkat, elsősorban kristályibolya és MTS festés segítségével. Kiváló eredményeket értünk el geraniol, fahéjaldehid és timol alkalmazásakor (EC50-értékek 2 mg/ml alattiak), a staphylococcusoknál rendre alacsonyabb gátló-koncentrációkkal. A ciszteinszármazékok közül az N-acetilcisztein hatása gyenge volt (EC50>32 mg/ml), az általunk újonnan szintetizált származékok azonban jóval hatékonyabbnak (4-8x) bizonyultak. Erőteljes szinergizmust mutattunk ki geraniol, EDTA és marbofloxacin között.
Results in English
THIS SUMMARY CONTAINS CONFIDENTIAL INFORMATION, PLEASE HANDLE PRIVATELY, AS FAR AS POSSIBLE. In our study, several pathogenic bacterial strains have been examined. Biofilm formation of P. aeruginosa (n=73) and S. pseudintermedius (n=80) isolated from dogs, and S. aureus (n=4) isolated from cattle have been investigated. With the exception of two strains, all P. aeruginosa strains (72) developed biofilms and a high number of staphylococci (74) were proved to be biofilm producers as well. These findings highlight clinical importance of biofilm formation among the investigated pathogenic bacteria. Three genes, which are associated with biofilm formation (pelA, pelC and pelE), have been detected with PCR method in all biofilm producing Pseudomonas strains. Peak of biofilm formation has been previously proved to be between 6-9 hours in case of both staphylococci and P. aeruginosa, therefore our investigations with antibiofilm agents were performed on biofilms at this “age” with crystal violet and MTS staining. Our results were outstanding with geraniol, cinnamaldehyde and thymol against both bacterial species (EC50 < 2 mg/ml), inhibitory concentrations being lower against staphylococci. N-acetylcysteine had a weak inhibitory effect (EC50 > 32 mg/ml) , while newly synthetized, substituted derivates were proved to be 4-8 times more efficient. Strong synergistic effect was revealed among geraniol, EDTA and fluoroquinolone antibiotics.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=121346
Decision
Yes





 

List of publications

 
Veres A. Mercédesz, Jerzsele Ákos: Detecting Staphylococcus pseudintermedius biofilm production by CRA and MTP assay - Review in Progress, Acta Veterinaria Hungarica, 2018
Veres A. Mercédesz, Jerzsele Ákos: In vitro antibiofilm activity of gentamicin and marbofloxacin against different biofilm producer Pseudomonas aeruginosa strains - Under Review, Research in Veterinary Science, 2018
Sulyok KM, Kreizinger Z, Wehmann E, Lysnyansky I, Bányai K, Marton S, Jerzsele Á, Rónai Z, Turcsányi I, Makrai L, Jánosi S, Nagy SÁ, Gyuranecz M: Mutations Associated with Decreased Susceptibility to Seven Antimicrobial Families in Field and Laboratory-Derived Mycoplasma bovis Strains, ANTIMICROB AGENTS CH in press: in press, 2016
Lénárt Á, Karancsi Z, Veres M, Jerzsele Á: A húgyúti fertőzések kóroktana és korszerű gyógykezelése a kisállatgyógyászatban, Magyar Állatorvosok Lapja, 2018
Sunyál O., Karancsi Z., Veres M., Jerzsele Á: Antibakteriális szerek használata a társállatgyógyászatban I. Az antibiotikumok általános bemutatása, kombinációs lehetőségek, Magyar Állatorvosok Lapja, 2018
Veres A. Mercédesz, Jerzsele Ákos: Detecting Staphylococcus pseudintermedius biofilm production by CRA and MTP assay - Review in Progress, Acta Veterinaria Hungarica, 2019
Bekő Katinka, Felde Orsolya, Sulyok Kinga M., Kreizinger Zsuzsa, Hrivnák Veronika, Kiss Krisztián, Biksi Imre, Jerzsele Ákos, Gyuranecz Miklós: Antibiotic susceptibility profiles of Mycoplasma hyorhinis strains isolated from swine in Hungary, VETERINARY MICROBIOLOGY 228: pp. 196-201., 2019
Felde Orsolya, Kreizinger Zsuzsa, Sulyok Kinga Mária, Hrivnák Veronika, Kiss Krisztián, Jerzsele Ákos, Biksi Imre, Gyuranecz Miklós: Antibiotic susceptibility testing of Mycoplasma hyopneumoniae field isolates from Central Europe for fifteen antibiotics by microbroth dilution method, PLOS ONE 13: (12) p. e0209030., 2018
Roszkos Zsanett, Veres Adrienn Mercédesz, Karancsi Zita, Jerzsele Ákos: Antibakteriális szerek használata a társállatgyógyászatban II., MAGYAR ÁLLATORVOSOK LAPJA 140.: (11) pp. 669-683., 2018




Back »