Determinación del potencial antibacteriano contra Staphylococcus aureus de células madre mesenquimáticas derivadas de médula ósea y tejido adiposo fetal bovino

Abstract

La mastitis es la principal enfermedad que afecta a vacas productoras de leche a nivel mundial, con costos de tratamiento de hasta US$ 200/vaca/año. Así mismo, las perdidas en producción de leche fluctúan entre 1.335 y 1.539 kg/lactancia/vaca en casos de mastitis sub clínica y clínica respectivamente. En Chile, dentro de los principales patógenos causantes de esta enfermedad se encuentra el Staphylococcus aureus (S. aureus) que es responsable del 22 al 68,6% de los cuadros sub clínicos. Recientemente, se ha reportado la existencia de un alto riesgo de resistencia bacteriana producto del uso inadecuado de antibacterianos para el tratamiento de mastitis causadas por S. aureus. Alternativamente en el último tiempo se ha establecido el uso de células madre mesenquimáticas (MSCs) para el tratamiento de múltiples enfermedades en medicina humana y veterinaria incluyendo infecciones bacterianas. En consecuencia, el objetivo del presente estudio fue evaluar el potencial antibacteriano in vitro contra S. aureus del medio condicionado de MSCs derivadas de médula ósea y tejido adiposo fetal bovino. Se utilizaron las cepas ATCC 25923 y SAU 1S de S. aureus con el fin de determinar su sobrevivencia en medio condicionado de MSCs no concentrado, concentrado, activado y activado concentrado mediante pre-exposición a S. aureus. En estos mismos cultivos de MSCs se cuantificaron los niveles de mRNA de los péptidos antimicrobianos β-defensina 4A (bBD4A), NK-lisina 1 (NK1), catelicidina 2 (CATHL2), hepcidina e indoleamina 2,3 dioxigenasa (IDO) mediante Q-PCR y de bBD4A mediante ELISA. La sobrevivencia de la cepa ATCC 25923 no fue diferente (P>0,05) cuando fue tratada con medio condicionado no concentrado de MSCs en comparación con los controles de fibroblastos y DMEM. Sin embargo, el porcentaje de sobrevivencia de la cepa SAU 1S disminuyó (P<0,05) al ser tratada con medio condicionado no concentrado de MSCs en comparación con el control DMEM. Adicionalmente, el medio condicionado concentrado de MSCs indujo una disminución (P<0,05) en la supervivencia de la cepa SAU 1S con respecto a los medios condicionados concentrados control de fibroblastos y DMEM. El medio condicionado activado, así como el medio condicionado activado concentrado de MSCs disminuyeron (P<0,05) la supervivencia de la cepa SAU-1S con respecto a los medios controles de MSCs no activados, de fibroblastos y DMEM. La activación indujo un aumento (P<0,01) de 3,5 veces en los niveles de mRNA de bBD4A en las MSCs de tejido adiposo y de 1,17 veces en MSCs de médula ósea. Además, la activación aumentó (P<0,05) en 1,66 y 1,37 veces el nivel de mRNA de NK1 en fibroblastos y MSCs de tejido adiposo, respectivamente. Los niveles de proteína bBD4A también aumentaron (P<0,05) en los medios condicionados de MSCs y de fibroblastos por efecto de la concentración. La activación solo aumenta (P<0,05) los niveles de bBD4A en los medios condicionados de MSCs derivadas de médula ósea. En conclusión, los medios condicionados de MSCs derivadas de médula ósea y tejido adiposo fetal bovino poseen efecto antibacteriano contra S. aureus en un sistema de cultivo in vitro. Este potencial antibacteriano se ve aumentado al concentrar por filtración y activar el medio condicionado mediante pre-exposición de MSCs a S. aureus. Estos resultados sugieren que el efecto antibacteriano de MSCs es mediado por la expresión de péptidos antimicrobianos NK1 y bBD4A.

Mastitis is the main disease affecting dairy cows worldwide with treatment costs reaching up to US $ 200/cow/year. Moreover, milk production losses fluctuate between 1,335 and 1,539 kg/lactation/cow in cases of clinical and clinical sub mastitis respectively. In Chile, one of the main pathogens causing mastitis Staphylococcus aureus (S. aureus), which is responsible for 22 to 68.6% of subclinical cases. Recently a high risk of bacterial resistance has been reported due to inappropriate use of antibacterial agents in the treatment of mastitis caused by S. aureus. Alternatively, the use of mesenchymal stem cells (MSCs) has been described for the treatment of multiple diseases in human and veterinary medicine including bacterial infections. Consequently, the aim of the present study was to evaluate the in vitro antibacterial potential against S. aureus of conditioned medium from MSCs derived from bone marrow and fetal bovine adipose tissue. S. aureus trains ATCC 25923 and SAU 1S were used in order to determine their survival in conditioned medium from non-concentrated, concentrated, activated and activated concentrated MSCs by exposure to S. aureus. mRNA levels from antibacterial peptides β-defensin 4A (bBD-4A), NK-lysine 1 (NK1), catelicidin 2 (CATHL2), hepcidin and Indoleamine 2,3 dioxygenase (IDO) were quantified by quantitative-PCR (Q-PCR) and bBD-4A by ELISA. The survival percentage of ATCC strain 25923 was not different (P>0.05) when it was treated with non-concentrated conditioned medium of MSCs compared to controls of fibroblasts and DMEM. In contrast, the survival percentage of SAU-1S strain decreased (P<0.05) when it was treated with nonconcentrated conditioned medium of MSCs compared to the DMEM control. Additionally, the concentrated conditioned medium of MSCs induced a decrease (P<0.05) in the survival percentage of the SAU 1S strain in comparison to the conditioned medium control fibroblasts and DMEM. The activated conditioned medium as well as the conditioned and activated conditioned medium of MSCs decreased (P<0.05) survival percentage of the SAU 1S strain with respect to non-activated MSCs control media, fibroblasts and DMEM. Activation induced a 3.5-fold increase (P<0.01) in bBD4A mRNA levels in adipose tissue MSCs and 1.17-fold in bone marrow MSCs. In addition, activation increased (P<0.05) 1.66 and 1.37-fold levels of NK1 mRNA in fibroblasts and adipose tissue MSCs, respectively. Levels of bBD4A also increased (P<0,05) in the conditioned media of MSCs and fibroblasts by concentration effect. Moreover, activation increased levels of bBD4A in conditioned media of MSCs derived from bone marrow. In conclusion, conditioned medium of MSCs possess antibacterial effect against S. aureus in an in vitro culture system. The antibacterial property is increased when conditioned medium is concentrated by filtration and activated by pre-exposition to S. aureus. The antibacterial potential of MSCs may be exerted by expression of antimicrobial peptides bBD4A and NK1.