Formação de biofilmes em meio biótico e abiótico por Escherichia coli isoladas de mastite bovina na presença de antimicrobianos

Abstract

Escherichia coli é um micro-organismo de origem ambiental altamente adaptativo e sua habilidade em formar biofilmes em determinadas condições pode ser fundamental para sua resistência a tratamentos com antimicrobianos. O objetivo desse estudo foi avaliar os perfis de expressões dos genes luxS, fliC, csgA e fimA envolvidos com a formação de biofilmes em E. coli obtidos de leite mastítico na presença de antimicrobianos em meio biótico e abiótico. Foi avaliado o perfil genético de 27 isolados por meio de gel de eletroforese em campo pulsado (PFGE) com a digestão enzimática XbaI. Quatro isolados de E. coli , dois fortes produtores de biofilmes (GPB) e dois fracos produtores (FPB) que possuíam os genes da sintase do autoindutor-2 (luxS), flagelina (fliC), subunidade maior da fímbria curli (csgA) e subunidade maior da fímbria do tipo I (fimA) foram selecionados por PCR convencional. Foi avaliada a concentração inibitória mínima (MIC) dos antimicrobianos para realização dos demais testes com a concentração de ½ MIC. A produção de biofilme foi detectada na presença de antimicrobianos e visualizada em microscopio eletrônico de varredura (MEV). Foram realizados ensaios de adesão/invasão de células bacterianas em cultivo de células alveolares mamárias bovinas (MAC-T) na presença de antimicrobianos, quantificados em UFC/mL, e visualizadas por meio de microscopia confocal. Posteriormente, foram analisados os perfis de expressão dos genes luxS, fliC, csgA e fimA em diferentes tempos e em superfície de inoculação abiótica e biótica. Nove (I a IX) grupos filogenéticos diferentes com similaridade >90 % foram identificados pelo PFGE. Os resultados revelaram a presença de luxS, fimA e csgA em todos os 27 isolados, enquanto o gene fliC foi detectado em 16. As MICs variaram entre 0,05 a 8 μg/mL, sendo os maiores valores obtidos para gentamicina (8 μg/mL) e para ampicilina (6 μg/mL). A enrofloxacina e o cotrimoxazol induziram a formação de biofilme em pelo menos um isolado FPB, ampicilina e gentamicina em um GPB. Também foi observado efeito reduxii tor da enrofloxacina e cotrimoxazol em pelo menos um isolado GPB. Não foi observado aumento na capacidade de adesão/invasão dos isolados de E. coli na presença de antimicrobianos, no entanto observou-se aumento na internalização do isolado FPB quando tratado com os antimicrobianos através da microscopia confocal. Os quatro genes foram diferencialmente expressos quando submetidos à concentração de ½ MIC dos antimicrobianos com alterações da ordem de 1,5-22 vezes. O crescimento em superfície biótica favoreceu a expressão dos genes luxS e fimA em relação à abiótica. A concentração subinibitória dos antimicrobianos estudados foi capaz de induzir a formação de biofilmes por alguns isolados, além de induzir a invasão às células hospedeiras, situação que poderia estar ocorrendo in vivo, resultando em um reservatório de bactéria no úbere do animal, o que poderia explicar também, o crescente aumento de casos de mastites persistentes nos rebanhos.

Escherichia coli is a microorganism of environmental origin that is highly adaptive; its ability to form biofilms under certain conditions can be critical to its resistance to antimicrobial treatments. The aim of this study was to evaluate the expression profiles of the genes luxS (autoinducer synthase-2), fliC (flagellin), csgA (large subunit of the fimbriae curli ) and fimA (largest subunit type I fimbriae), which are involved in biofilm formation, in E. coli obtained from mastitic milk in the presence of antimicrobials on abiotic and biotic environments. The genetic profile of 27 isolates was evaluated by pulsed field gel electrophoresis (PFGE) with XbaI enzyme digestion. Four isolates of E. coli, two strong biofilm producers (GBP) and two weak producers (WBP) which possessed the genes luxS, fliC, csgA and fimA, were selected by conventional PCR. The minimum inhibitory concentration (MIC) of antimicrobials was assessed for performing other tests at the concentration of ½ MIC. The biofilm production was detected in the presence of antimicrobials and visualized through scanning electron microscopy (SEM). Assay of adhesion/invasion of bacterial cells in bovine mammary alveolar cell (MAC-T) culture in the presence of antimicrobials was quantified in CFU/mL and visualization was achieved by confocal microscopy. Subsequently, the expression profiles of the genes luxS, fliC, csgA and fimA were analyzed at different times after inoculation on abiotic and biotic surfaces. Nine (I to IX) different phylogenetic groups with similarity > 90% were identified by PFGE. The results revealed the presence of the genes luxS, fimA and csgA in all 27 isolates, whereas the fliC gene was only detected in 16. The MICs ranged from 0.05 to 8 μg/mL, with the highest values obtained for gentamicin (8 μg/mL) and ampicillin (6 μg/mL). Enrofloxacin and cotrimoxazole induced biofilm formation in at least one isolated WBP, and ampicillin and gentamicin in one isolated GBP. Also, the reducing effect of enrofloxacin and cotrimoxazole was observed in at least one isolated GBP. There was no increase in the ability of adxiv hesion/invasion of the isolates of E. coli in the presence of antibiotics, but an increase in the internalization of the WBP isolate when treated with antimicrobials was observed through confocal microscopy. The four genes were differentially expressed when exposed to ½ MIC concentrations of antimicrobials with changes in the order of 1.5 to 22 times. The growth on the biotic surface favored the expression of luxS and fimA genes in relation to abiotic surfaces. The sub-inhibitory concentrations of the antimicrobials studied were able to induce the formation of biofilms by some isolates, as well as inducing invasion into host cells, which is a situation that might be occurring in vivo. This could result in a reservoir of bacteria in the udder of the animal, which could explain the increase in cases of persistent mastitis in herds.