Razvoj polimernih nanovlaken za lokalno dostavo živih terapevtskih bakterij

Grilc, Nina Katarina (avtor), Zupančič, Špela (mentor), Kristl, Julijana (komentor)

V disertaciji se osredotočamo na razvoj in vrednotenje nanovlaken z živimi terapevtskimi bakterijami oziroma probiotiki. Ohranjanje bakterijske živosti v nanovlaknih predstavlja največji tehnološki izziv, zato v nalogi preučujemo izboljšanje bakterijskega preživetja z uporabo ustreznih stabilizatorjev. V nalogi dokazujemo, da je učinkovitost stabilizatorjev odvisna od samega stabilizatorja ter bakterijske vrste, za katero ga uporabljamo. Stabilizatorji se po učinkovitosti razlikujejo tudi glede na učinek med elektrostatskim sukanjem ter shranjevanjem. Vse to zahteva njihovo individualno prilagojeno izbiro za vsak sev. Uporaba stabilizatorjev, nagnjenih h kristalizaciji, se je izkazala kot problematična zaradi njihove amorfizacije med elektrostatskim sukanjem in nato kristalizacije med shranjevanjem. V ločeni stabilnostni raziskavi na placebo nanovlaknih brez bakterij smo dodatno pokazali, da kristalizacija stabilizatorjev vodi do sprememb v morfologiji nanovlaken in da sta stopnja amorfizacije stabilizatorjev in njihova kasnejša kristalizacija odvisni od same vrste stabilizatorja in njegovega deleža v formulaciji. Raziskali smo tudi možnosti izboljšanja kolonizacije vaginalnih laktobacilov z vgrajevanjem v nanovlakna na preprostih modelih sluznice in vitro. Prikazujemo, da lahko vgradnja v polietilenoksidna (PEO) nanovlakna pri sevih s slabo sposobnostjo tvorbe biofilma v statičnih pogojih spodbuja tvorbo adherentne biomase. Dodatno prikazujemo, da lahko pozitiven učinek na tvorbo adherente biomase modelnega seva slabega tvorilca biofilma izboljšamo z dodatkom rast-spodbujajočega alginata. Učinki so opazni tudi v dinamičnih pogojih s pretokom medija, kjer ujetje bakterij v hidratirani nabrekli membrani nanovlaken omogoča tvorbo mikrokolonij ter njihovo podaljšano zadrževanje. Sistem na osnovi PEO in alginata je omogočil tudi podaljšano sproščanje spor dveh modelnih sevov rodu Bacillus. Za slednja potrjujemo tudi njun probiotični potencial za zdravljenje parodontalne bolezni z genotipizacijo ter in vitro testi, ki so pokazali protibakterijsko in imunomodulatorno delovanje njunih metabolitov. Disertacija prispeva k znanju o nanovlaknih s probiotiki s poudarkom na karakterizaciji potencialnih probiotičnih sevov, formulacijskih pristopih za izboljšanje bakterijskega preživetja ter razumevanju sproščanja bakterij iz nanovlaken in vpliva slednjih na razrast.

• Jezik: Slovenski jezik
• Ključne besede: probiotiki, žive terapevtske bakterije, nanovlakna, elektrostatsko sukanje, preživetje, stabilizatorji, kristalizacija, bioadhezija, protibakterijsko delovanje, imunomodulacija
• Vrsta gradiva: Doktorsko delo/naloga
• Organizacija: FFA - Fakulteta za farmacijo
• Leto izida: 2026
• PID: 20.500.12556/RUL-180836
• Datum objave v RUL: 18.03.2026

Sekundarni jezik

• Jezik: Angleški jezik
• Naslov: Development of polymeric nanofibers for local delivery of live therapeutic bacteria

Izvleček

This doctoral dissertation focuses on the development and evaluation of nanofibers containing probiotic bacteria (also termed live therapeutic bacteria). Due to the fact that mainaining bacterial viability represents a major technological challenge, our work largely focuses on the possibility of improving bacterial survival in nanofibers with the use of appropriate excipients – stabilizers. We show here that the efficacy of diferent stabilizers depends on the stabilizer itself, bacterial species being stabilized and the phase of action (during electrospinning or during storage). All this necessitates strain-specific selection of stabilizers. The use of crystallization-prone stabilizers can be problematic due to their amorphization during electrospinning and subsequent crystallization during storage. This instability is further demonstrated in a placebo nanofiber study, showing that it alters nanofiber morphology and that stabilizer amorphization during electrospinning and its later crystallization depend on stabilizer type and proportion. We also investigate the potential to enhance vaginal Lactobacillus colonization through encapsulation in nanofibers using simplified in vitro mucosal models. We show that incorporation into poly(ethylene oxide) (PEO) nanofibers under static conditions promotes adherent biomass formation by poor biofilm-forming strains. We further demonstrate the enhancement of the positive effect on biomass formation by a model poor biofilm-former by the addition of the growth-promoting polymer alginate. These effects are also evident under dynamic flow conditions, where entrapment of bacteria in the hydrated, swollen nanofiber membrane enables prolonged surface retention and microcolony formation. The same PEO/alginate system also enables sustained release of spores of two model Bacillus strains. For these strains, we confirm their probiotic potential for periodontal disease treatment through genotyping and in vitro tests proving their antibacterial and immunomodulatory activity. This dissertation makes a significant contribution to the field of probiotic-loaded nanofibers, with a focus on strain characterization, formulation strategies for improved bacterial survival, and understanding bacterial release and biomass formation dynamics.

• Ključne besede: probiotics, live therapeutic bacteria, nanofibers, electrospinning, bacterial survival, stabilizers, crystallization, bioadhesion, antibacterial activity, immunomodulation