NANOPHARMACHIP

Artículos científicos

• Nogales, Juan; Garmendia, Junkal. Bacterial metabolism and pathogenesis intimate intertwining: time for metabolic modelling to come into action.Microbial Biotechnology. Microb. Biotechnol 2022,vol. 15, 95-102. https://doi.org/10.1111/1751-7915.13942
  https://ami-journals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1751-7915.13942
• Nahikari López-López, Celia Gil-Campillo, Roberto Díez-Martínez, Junkal Garmendia, Learning from –omics strategies applied to uncover Haemophilus influenzae host-pathogen interactions: Current status and perspectives, Computational and Structural Biotechnology Journal, Volume 19, 2021, Pages 3042-3050, ISSN 2001-0370, https://doi.org/10.1016/j.csbj.2021.05.026
  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2001037021002075?via%3Dihub
• Irene Rodríguez-Arce, Xabier Morales, Mikel Ariz, Begoña Euba, Nahikari López-López, Maider Esparza, Derek W. Hood, José Leiva, Carlos Ortíz-de-Solórzano & Junkal Garmendia (2021) Development and multimodal characterization of an elastase-induced emphysema mouse disease model for the COPD frequent bacterial exacerbator phenotype, Virulence, 12:1, 1672-1688, DOI: 10.1080/21505594.2021.1937883 https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21505594.2021.1937883
• Fernández-Calvet, A., Euba, B., Gil-Campillo, C., Catalan-Moreno, A., Moleres, J., Martí, S., Merlos, A., Langereis, J. D., García-del Portillo, F., Bakaletz, L. O., Ehrlich, G. D., Porsch, E. A., Menéndez, M., Mell, J. C., Toledo-Arana, A., & Garmendia, J. (2021). Phase variation in HMW1A controls a phenotypic switch in Haemophilus influenzae associated with pathoadaptation during persistent infection. MBio, 12(3). https://doi.org/10.1128/mbio.00789-21 https://journals.asm.org/doi/10.1128/mbio.00789-21
• López-López, N., León, D. S., de Castro, S., Díez-Martínez, R., Iglesias-Bexiga, M., Camarasa, M. J., Menéndez, M., Nogales, J., & Garmendia, J. (2022). Interrogation of essentiality in the reconstructed Haemophilus influenzae metabolic network identifies lipid metabolism antimicrobial targets: Preclinical evaluation of a FabH β-ketoacyl-ACP synthase inhibitor. MSystems, 7(2). https://doi.org/10.1128/msystems.01459-21 https://journals.asm.org/doi/10.1128/msystems.01459-21
• Rapún-Araiz, B, Sorzabal-Bellido I, Asensio-López J, Lázaro-Díez M, Ariz M, Sobejano de la Merced C, Euba B, Fernández-Calvet A, Cortés-Domínguez I, Burgui S, Toledo-Arana A, Ortiz-de-Solórzano C, Garmendia J. Microbiol Spectr. 2023 Oct 5:e0099323. doi: 10.1128/spectrum.00993-23., In vitro modeling of polyclonal infection dynamics within the human airways by Haemophilus influenzae differential fluorescent labeling.
• Euba B, Gil-Campillo C, Asensio-López J, López-López N, Sen-Kilic E, Díez-Martínez R, Burgui S, Barbier M, Garmendia J. Microbiol Spectr. 2023 Jun 15;11(3):e0082323. doi: 10.1128/spectrum.00823-23. Epub 2023 May In Vivo Genome-Wide Gene Expression Profiling Reveals That Haemophilus influenzae Purine Synthesis Pathway Benefits Its Infectivity within the Airways.
• Gil-Campillo C, González-Díaz A, Rapún-Araiz B, Iriarte O, Elizalde-Gutiérrez I, Fernández-Calvet , Lázaro-Díez M, Martí S, Garmendia J. Imipenem heteroresistance but not tolerance in Haemophilus influenzae during chronic lung infection associated with chronic obstructive pulmonary disease. Frontiers in Microbiology, aceptado, in press, DOI 10.3389/fmicb.2023.1253623 (se adjuntan pruebas de imprenta)
• Arroyo-Urea EM, Lázaro-Díez M, Garmendia J, Herranz F, González-Paredes A. Lipid-based nanomedicines for the treatment of bacterial respiratory infections: current state and new perspectives. Nanomedicines, aceptado (se adjunta pantallazo de mail aceptación). Supongo que las pruebas de imprenta estarán en breve, a ver si está online en 2023.AA32

Congreso

• Eurobiofilms 2022: «Development of ad hoc methods to evaluate drug efficacy against Haemophilus influenzae biofilms reveals cinnamaldehyde analogs as a promising alternative to counteract infection»

La resistencia a los antibióticos es un grave problema de salud pública global, particularmente acuciante en el tratamiento de enfermedades infecciosas respiratorias bacterianas. Su relevancia clínica se ha visto aumentada durante la pandemia por COVID-19 debido a la frecuencia de infecciones bacterianas secundarias en casos graves hospitalizados que requieren ventilación mecánica o respiración asistida. La resistencia antibiótica provoca el fallo terapéutico en el tratamiento de las infecciones respiratorias, lo que demanda con urgencia Investigación y Desarrollo de antimicrobianos innovadores y eficientes, alternativos a los antibióticos convencionales, y que sean menos proclives al desarrollo de resistencias. El desarrollo de estos nuevos antimicrobianos necesita a su vez del desarrollo de sistemas modelo de la patología infecciosa cuyo empleo como plataformas de escrutinio de eficacia y toxicidad sea sencillo, rápido, y reproducible. Estos sistemas sustituyen el uso masivo de animales de experimentación, y por su simplicidad permiten avanzar de modo decidido hacia la implantación de la medicina personalizada. Para ello, es clave el desarrollo de sistemas microfluídicos organ-on-a-chip que simulan la arquitectura, el microambiente y los aspectos funcionales esenciales de las vías aéreas, así como sus mecanismos de infección.

Las principales bacterias causantes de infección respiratoria se incluyen en la Lista de Patógenos Prioritarios de la Organización Mundial de la Salud (OMS), entre las que se encuentra Haemophilus influenzae, debido a su resistencia a antibióticos β-lactámicos. De especial relevancia clínica son las infecciones crónicas por H. influenzae en vías respiratorias bajas de pacientes que sufren enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC), cuyo crecimiento formando biofilm favorece la infección crónica y la resistencia antibiótica. En la actualidad no disponemos de estrategias anti-biofilm de H. influenzae efectivas. Por otro lado, la presencia de patógenos periodontales en las vías respiratorias bajas de pacientes respiratorios crónicos sugiere la existencia de relaciones inter-especie con patógenos respiratorios, cuyas consecuencias en la eficacia terapéutica de los antimicrobianos son desconocidas.

Sobre la base de estas necesidades y evidencias, NANOFARMACHIP ha desarrollado tres ejes de acción tecnológica coordinada, en el marco del área estratégica de la Biotecnología de la Salud, para el desarrollo y evaluación preclínica de una nueva generación de terapias frente a la infección respiratoria bacteriana crónica:

1) desarrollo nanotecnológico de nanoplataformas portadoras de fármacos que interfieren en la formación de biofilms de H. influenzae;
2) desarrollo de un dispositivo microfluídico airway-on-a-chip como plataforma modelo de infección respiratoria y escrutinio terapéutico;
3) evaluación preclínica de nuevos antimicrobianos frente a H. influenzae, considerando el impacto de su asociación con patógenos periodontales.

Fruto de la ejecución del proyecto NANOFARMACHIP, hemos diseñado y desarrollado diferentes sistemas de encapsulación de fármacos antibacterianos en matrices poliméricas utilizando aproximaciones y metodologías de encapsulación basadas en emulsiones simples y dobles a escala de laboratorio. Para ello, hemos implementado metodologías de análisis de los antimicrobianos de interés mediante técnicas cromatográficas, así como un panel de técnicas experimentales para la caracterización físico-química de las nanoformulaciones desarrolladas. Con todo ello, hemos optimizado los procesos de encapsulación de diferentes moléculas para obtener sistemas funcionales de unos 200 nm de diámetro, baja polidispersidad y estables en medio acuoso. Estos sistemas de encapsulación permiten vehiculizar de forma efectiva los principios activos que, de otra forma, son incompatibles con el medio acuoso, y por lo tanto no son capaces de interaccionar con-/erradicar de forma efectiva los biofilms bacterianos. Además, hemos diseñado sistemas de encapsulación múltiple, en los que hemos encapsulado dos moléculas diferentes en un mismo sistema, lo que permite proponer desarrollos terapéuticos basados en sinergia farmacológica.

Por otra parte, hemos desarrollado, fabricado y puesto a punto un dispositivo microfluídico airway-on-chip que simula la estructura y aproxima la funcionalidad de las vías aéreas bajas del pulmón humano. Para ello, hemos hecho uso de un sistema de canales y reservorios de dimensiones microscópicas que permiten recrear las capas celulares y los flujos que son propios de estas estructuras del pulmón. Estos sistemas se fabrican mediante técnicas avanzadas de microfabricación a partir de materiales biocompatibles y con buenas propiedades ópticas, para facilitar la observación de los procesos que ocurren en su interior. A partir de este dispositivo (diseño.0), hemos realizado una modificación, diseño.1, con el fin de incluir en el mismo una zona reservada para el crecimiento de bacterias en modo biofilm, unida mediante una válvula de control al resto del dispositivo que simula las vías aéreas. Mediante la actuación de dicha válvula, modelamos situaciones de infección bacteriana, por migración o flujo de las bacterias desde el biofilm al reservorio que modela las vías aéreas. Este desarrollo avanzado nos ha permitido visualizar y comenzar a entender las dinámicas de interacción entre las bacterias que infectan- y las células que componen las vías aéreas.

De forma paralela, hemos desarrollado e implementado toda la metodología necesaria para evaluación sistemática y multi-modal de la eficacia de las nanoformulaciones generadas frente a biofilms formados por el patógeno H. influenzae, tanto en monocultivo como en co-cultivo con el patógeno periodontal Fusobacterium nucleatum. Los resultados generados indican el potencial antimicrobiano de dos cinemaldehídos, que a su vez se ve mejorado a través de su encapsulación en nanopartículas poliméricas, frente a biofilms de aislados clínicos de H. influenzae resistentes a los antibióticos convencionales.

Finalmente, haciendo uso de nuestros conocimientos y amplia experiencia en microscopía y análisis de imagen biomédica, hemos desarrollado, puesto a punto y utilizado una serie de protocolos de microscopía y herramientas de análisis de imagen automatizado para visualizar los procesos de infección bacteriana en el dispositivo airway-on-chip. Para ello, mediante ingeniería genética de microorganismos, hemos generado un panel de herramientas que nos permiten el marcaje específico y diferencial de los patógenos de interés, y que han sido a su vez utilizados para visualizar los procesos de infección respiratoria en airway-on-chip. En conjunto, esta plataforma modelo de infección respiratoria aporta información cuantitativa y comparativa sobre la dinámica infecciosa de distintos tipos de bacterias, y con el fin de eventualmente determinar el efecto antimicrobiano de las nanoformulaciones desarrolladas.

En resumen, NANOFARMACHIP ha abordado un problema sanitario de gran magnitud mediante la integración de abordajes tecnológicos innovadores con retos muy significativos. Tras su ejecución, presentamos una nueva generación de antimicrobianos para su posterior evaluación clínica y explotación industrial, así como una innovadora plataforma modelo de infección respiratoria. Las acciones de diseminación realizadas durante la ejecución del proyecto han prestando especial atención a los usuarios finales.