Lipid and polymer nanoparticles for drug delivery to bacterial biofilms

TL;DR: The majority of the discussed papers still present data on the in vitro anti-biofilm activity of nanoformulations, indicating that there is an urgent need for more in vivo studies in this field.

About: This article is published in Journal of Controlled Release.The article was published on 2014-09-28 and is currently open access. It has received 313 citations till now. The article focuses on the topics: Antimicrobial & Drug delivery.

Summary

1. Introduction

• This allows the biofilm to respond cooperatively to environmental  changes  and  threats.
• The  reason why  these  infections  are  hard  to  eradicate  is  twofold.
• It  is  now  estimated that over 60% of bacterial  infections  in humans  involve biofilm formation. [17].
• Furthermore, by  targeting  of  the  nanoparticles  to  the  biofilm,  a  high  dose  of  antimicrobial  agents  can  be  delivered  in the direct proximity of the bacterial cells, thereby maximizing therapeutic benefit  while reducing unwanted side effects.

2.1 Lipid nanoparticles

• Due  to  their  versatility  and  biocompatibility,  liposomes  are  attractive  candidates  for  nanoparticle mediated drug delivery  in biofilms.
• Fusion of these liposomes with the bacteria was also proven  by  a  combination  of  flow  cytometry,  lipid mixing,  TEM  and  immunochemistry  techniques  as  mentioned above. [36, 37].
• It  is worth  noting  that  co‐encapsulation  of  other  antimicrobial  substances  together with  an  antibiotic into liposomes could improve the antimicrobial efficacy.
• Also, longer contact times between the antibiotic and the biofilm bacteria have been suggested  to  be  responsible  for  the  increased  antimicrobial  effect.  [51,  52] DPPC:Chol:SA  DPPC:Chol:DD AB  DPPC:DC‐chol  /  Vancomycin  /  0.12  Cationi c  Yes ND ND Yes  ND  Targeting and  sustained  release  S. aureus [79].

2.2 Polymer and lipid‐polymer hybrid nanoparticles

• In contrast to the various beneficial traits described above, the use of liposomes can also have  several disadvantages.
• The  polymeric  particles  already  described  in  literature  are  typically  formed  from  poly(lactic‐co‐ glycolic) acid (PLGA) or chitosan or a mixture of PLGA and lipids to form so called lipid‐polymer  hybrid nanoparticles  (LPH).  [89, 90] PLGA  is a biocompatible and biodegradable copolymer of  lactic and glycolic acid and is FDA approved in various drug delivery systems. [91].
• It was  therefore  concluded  that PLGA encapsulated  ciprofloxacin  is  more promising for the treatment of E. coli biofilms.
• Chitosan  itself has antimicrobial activity by adsorption onto  the bacteria, causing aggregation  and  leakage  of  their  intracellular  content.
• 2.3 Encapsulation efficiency Similar as for    liposomes, the encapsulation efficiency of antibiotics  in polymeric nanoparticles  determines how much antimicrobial agent can be delivered to the biofilm.

3 Targeted delivery to biofilms

• Functionalizing drug delivery nanoparticles with targeting ligands could be beneficial to achieve  accumulation of the nanoparticles close to the bacterial cells and to promote close contact of  the nanocarrier with  the bacteria.
• Targeting can also be beneficial  in environments with high  shear  forces,  such  as  the oral  cavity, where only  short exposure  times  can be  achieved  (e.g.  mouthwash).
• A  distinction  can  be  made  between  specific  and  non‐specific  targeting.
• Non‐ specific  targeting mainly  relies  on  charge  based  interactions  and  hydrogen  bonding  of  the  nanocarrier with the biofilm.
• While biofilm targeting strategies have extensively been  developed  for  liposomal  drug  delivery  systems,  to  the  best  of  our  knowledge  no  studies  regarding  the  specific  targeting  of  polymer  or  lipid‐polymer  hybrid  nanoparticles  have  been  published to date.

3.1. Non‐specific targeting

• Jones  and  coworkers  established  that  phosphatidylinositol  (PI)  and  to  a  lesser  extent  DPPG  caused the adsorption of liposomes to biofilms formed by bacteria recovered from the skin and  the oral cavity. [75].
• All  the  liposomes  tested showed a certain degree of  inhibition of the bacterial growth, but only  for  low drug to  PLGA  PCL  Ciprofloxacin   Levofloxacin  0.17‐0.24  ND.
• ND ND Stearylamine (SA) is another compound that can be used for the targeting of biofilm bacteria.
• More  liposomes  are adsorbed  at  lower  ionic  strength, at higher  temperatures  and when  the  bacteria are more hydrophobic.
• Over  time, more  and more  liposomes  adsorb  onto  the  biofilm,  increasing  the  penicillin G  concentration  in  the  biofilm  and  slowing  penicillin G release from the liposomes. [73].

3.2 Specific targeting

• Another  targeting  possibility  is  the  use  of  immunoliposomes  which  carry  covalently  bound  antibodies on the outer surface.
• The  immunoliposomes  strongly adsorbed to S. oralis biofilms and showed decreased affinity to other oral commensal  bacteria  tested  (S. gordonii,  S.  sanguis C104  and  S.  salivarius DBD  and 8618),  indicating  that  targeting of an antimicrobial agent  to a specific organism can be achieved.
• Furthermore, the affinity of the DPPC:PI:DPPE‐ anti S. oralis  immunoliposomes was compared to that of DPPC:Chol:SA cationic  liposomes and  DPPC:PI anionic liposomes.
• One example  is concanavalin A  (Con‐A), which  selectively binds  to  α‐mannopyranosyl and  α‐glucopyranosyl  residues  that  can be  found  in  the extracellular polysaccharide matrix of many biofilms.
• The  latter  involves  the use of  a  photosensitizer  that produces  reactive oxygen  species  (ROS) upon exposure  to  light.

4 Triggered release inside biofilms

• Triggered  release  of  the  antibiotic  from  nanoformulations  in  close  proximity  to  the  biofilm  bacteria  is another approach  to  increase  the  local  concentration of antibiotics  in  the biofilm.
• The  ability  of  nanoparticles  to  penetrate  into  the  biofilm  is  a  first  aspect  that  needs  to  be  investigated.
• The interaction of phospholipid liposomes  with mixed bacterial biofilms and their use in the delivery of bactericide, Colloids and Surfaces a‐ Physicochemical and Engineering Aspects, 186 (2001) 43‐53.  [81].

Figures

Figure  4: Antimicrobial  action  of  chitosan  nanoparticles  on  biofilms  of  S. mutans  at  different  depths inside the biofilm. Green represents living biofilm cells and red dead cells. Group A and C  are chitosans with a MW below 200 kDa and group B  is a chitosan with a MW above 500 kDa   Reprinted with permission from [98].

Figure  5:  Diffusion  coefficients  of  the  modified  0.1  µm  polystyrene  nanoparticles  in  B.  multivorans biofilms. The diffusion of the charged nanoparticles is considerably lower compared  to pegylated particles. [130]