UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID FACULTAD DE VETERINARIA Departamento de Nutrición y Ciencia de los Alimentos TESIS DOCTORAL Selección de un probiótico para la erradicación de Streptococcus agalactiae durante el embarazo MEMORIA PARA OPTAR AL GRADO DE DOCTOR PRESENTADA POR Sara Ocaña López Directores Juan Miguel Rodríguez Gómez Virginia Martín Merino Nivia Cárdenas Cárdenas Madrid Ed. electrónica 2019 © Sara Ocaña López, 2019 UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID FACULTAD DE VETERINARIA DEPARTAMENTO DE NUTRICIÓN Y CIENCIA DE LOS ALIMENTOS TESIS DOCTORAL Selección de un probiótico para la erradicación de Streptococcus agalactiae durante el embarazo SARA OCAÑA LÓPEZ Directores JUAN MIGUEL RODRÍGUEZ GÓMEZ VIRGINIA MARTIN MERINO NIVIA CÁRDENAS CÁRDENAS Madrid, 2018 UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID FACULTAD DE VETERINARIA DEPARTAMENTO DE NUTRICIÓN Y CIENCIA DE LOS ALIMENTOS TESIS DOCTORAL Selección de un probiótico para la erradicación de Streptococcus agalactiae durante el embarazo Memoria para optar al grado de Doctor presenta la licenciada Sara Ocaña López Madrid, 2018 Departamento de Nutrición y Ciencia de los Alimentos Facultad de Veterinaria Ciudad Universitaria , s/n. 28040 Madrid Teléfono: 91 394 3749. Fax: 91 394 37 43 JUAN MIGUEL RODRÍGUEZ GÓMEZ, CATEDRÁTICO DE UNIVERSIDAD, DEL DEPARTAMENTO DE NUTRICIÓN Y CIENCIA DE LOS ALIMENTOS DE LA FACULTAD DE VETERINARIA DE LA UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID, VIRGINIA MARTÍN MERINO, AYUDANTE DE INVESTIGACIÓN DEL ISCIII CENTRO NACIONAL DE MICROBIOLOGÍA, Y NIVIA CÁRDENAS CÁRDENAS, TÉCNICO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓN DE PROBISEARCH, CERTIFICAN: Que la Tesis Doctoral titulada “Selección de un probiótico para la erradicación de Streptococcus agalactiae durante el embarazo”, de la que es autora la Licenciada Sara Ocaña López, ha sido realizada en el Departamento de Nutrición y Ciencia de los Alimentos de la Facultad de Veterinaria de la Universidad Complutense de Madrid, bajo la dirección de los que suscriben, y cumple las condiciones exigidas para optar al título de Doctor. Madrid, 12 de Noviembre de 2018 Juan Miguel Rodríguez Gómez Virginia Martín Merino Nivia Cárdenas Cárdenas A los míos, a los que están: mis padres, mi marido, mis hijos, mis tíos, primos y amigos; y a los que me dejaron mis abuelos y tíos. «Un científico en su laboratorio no es un simple técnico: también es un niño que se enfrenta a fenómenos naturales que lo impresionan como si fueran cuentos de hadas » Marie Curie «El científico no tiene por objeto un resultado inmediato. El no espera que sus ideas avanzadas sean fácilmente aceptadas. Su deber es sentar las bases para aquellos que están por venir y señalar el camino» Nikola Tesla «Son vanas y están plagadas de errores las ciencias que no han nacido del experimento, madre de toda incertidumbre» Leonardo da Vinci Bueno por fin acaba el momento de cerrar una puerta que se abrió hace mucho tiempo, cuando tras acabar Farmacia decidí que quería hacer la Tesis Doctoral. Fueron necesarios tres intentos, pero como suele decirse “a la tercera va la vencida” y ese fue mi caso. Todo esto no hubiera sido posible sin la contribución de personas a las que me gustaría darles las gracias, en primer lugar a mis Directores de Tesis, Juan Miguel Rodríguez, Nivia Cárdenas y Virginia Martin, por vuestro trabajo y ayuda durante estos años. Juan Miguel recuerdo como si fuera ayer la primera charla en la que te oí, y me “enganchaste” por la manera en la que contabas tu trabajo, despertaste en mi un interés inmediato en un tema que hasta ese momento era ajeno a mí, la microbiota, muchas gracias por amar lo que haces, porque sabes transmitir esa inquietud por saber y conocer más, la semilla para la investigación y el conocimiento posterior. Agradecer a CASEN RECORDATI por la financiación que ha permitido la realización de este trabajo. A mis padres, por siempre apoyarme a lo largo de mi vida, en todas mis decisiones, aunque algunas a veces les duelan. Gracias papá por estar siempre para ayudarme y acompañarme, te quiero muchísimo y me siento muy orgullosa de ti. Mami siempre me has animado a pesar de que a veces ha sido difícil, a buscar tiempo para poder llegar un día a ser Doctora, sin ti yo no lo hubiera conseguido, te amo mamita. Gracias a mi tía Toñi, que está con nosotros, sus sobrinos, siempre dispuesta para todo lo que necesitemos, eres la mejor tía del mundo. A mi compañero de camino, el amor de mi vida, gracias por ayudarme a cumplir mis sueños, los personales y los profesionales. Mis hijitos, Candela, Claudia y José a los que he robado tiempo para poder hacer este proyecto personal, muchas gracias por comprender que a veces mami no podía estar porque estaba trabajando, gracias porque a pesar de no entender me habéis animado. A todos mis amigos, compañeros y familiares que habéis “sufrido” mi Tesis en una u otra manera, muchas gracias por ayudarme, y permitirme llegar a este momento. ÍNDICE ÍNDICE Página LIST OF ABBREVIATIONS I I. RESUMEN/SUMMARY 1 II. INTRODUCCIÓN 13 II.1. NEONATAL SEPSIS 15 II.2. Streptococcus agalactiae 17 II.2.1. Historical perspective and general characteristics 17 II.2.2. GBS colonization and mother-to-infant transmission 18 II.2.3. Risk factors for maternal GBS colonization, transmission of GBS from mother to baby, neonatal GBS colonization or GBS neonatal disease 20 II.2.4. Neonatal disease by GBS 21 II.2.5. Mechanisms for GBS infection during pregnancy 23 II.2.6. Bacterial factors that promote GBS vaginal 24 colonization, ascending infection, and preterm birth II.2.6.1. GBS adhesins to extracellular matrix (ECM) 24 proteins II.2.6.2. GBS adhesins to cellular targets 27 II.2.6.3. GBS pili 28 II.2.6.4. Biofilm formation 29 II.2.6.5. Hemolytic pigment 30 II.2.6.6. Hyaluronidase 31 ÍNDICE II.2.6.7. Other virulence factors 32 II.2.7. Host determinants of GBS vaginal colonization, ascending infection, and preterm birth 32 II.2.7.1. Vaginal colonization 32 II.2.7.2. Infection of placental membranes 33 II.2.7.3. Fetal injury 33 II.2.8. Preventive measures: intrapartum antibiotic 35 prophylaxis (IAP) II.2.9. Adverse effects of IAP 37 II.2.10. Adverse effects of IAP on the acquisition of the infant microbiota and potential alternatives (vaccines, probiotics) 38 II.3. PROBIOTICS 41 II.3.1. Identification of probiotic microorganisms 44 II.3.2. Strain safety 46 II.3.2.1. Pathogenicity 47 II.3.2.2. Production of D-lactate 48 II.3.2.3. Production of biogenic amines 48 II.3.2.4. Resistance to antibiotics 49 II.3.2.5. Negative effects on the immune system 50 II.3.2.6. Safety of excipients 51 II.3.2.7. Tests and models for the evaluation of safety 51 II.3.3. Functionality 52 II.3.3.1. Prerequisites 52 ÍNDICE II.3.3.2. Probiotic properties 53 II.3.3.3. In vivo assays 55 II.3.4. Technological aspects 56 II.3.5. Commercial aspects 58 III. OBJECTIVES 61 IV. MATERIALS AND METHODS 65 IV. 1. ASSESSMENT OF THE VAGINAL MICROBIOTA OF GBS-POSITIVE AND GBS-NEGATIVE NON-PREGNANT 67 IV.1.1. Participating women 67 IV.1.2. Microbial isolation, enumeration and identification 67 IV.2. IN VITRO ASSESSMENT OF THE ACTIVITY OF THE LACTOBACILLI STRAINS AGAINST GBS AND THEIR POTENTIAL MECHANISMS OF ACTION 68 IV.2.1. Antimicrobial activity against S. agalactiae strains 68 IV.2.1. Production of bacteriocins 69 IV.2.2. Production of hydrogen peroxide 69 IV.2.3. Production of lactic acid 69 IV.2.4. Co-aggregation between the lactobacilli 70 and the S. agalactiae strains IV.2.5. Broth co-cultures of the lactobacilli and the S. agalactiae strains 70 IV.3. IN VITRO ASSESSMENT OF OTHER PROBIOTIC PROPERTIES OR PRERREQUISITES OF THE LACTOBACILLI STRAINS 70 ÍNDICE IV.3.1. Survival after transit through an in vitro gastrointestinal model 70 IV.3.2. Adherence assays to intestinal and vaginal epithelial cells 71 IV.3.3. Adherence to and/or degradation of mucin 71 IV.3.4. Antibiotic resistance/susceptibility 72 IV.3.5. Prophage induction 72 IV.3.6. Production of biogenic amines 72 IV.4. IN VIVO ASSESSMENT OF THE SAFETY OF Lactobacillus salivarius V4II-90 IN A RAT MODEL 73 IV.4.1. Acute and repeated doses (4-weeks) oral toxicity studies 73 IV.4.2. Animal observations 74 IV.4.3. Clinical test parameters 74 IV.4.4. Anatomical pathology 75 IV.4.5. Isolation of L. salivarius V4II-90 from feces and vaginal swabs samples 75 IV.4.6. Bacterial translocation 75 IV.4.7. Total liver glutathione (GSH) concentration 76 IV.4.8. Statistical analysis (for toxicity studies) 76 IV.5. DESIGN OF A PCR ASSAY FOR SPECIFIC AND SENSITIVE DETECTION OF S. agalactiae IN BIOLOGICAL SAMPLES 76 IV.5.1. In silico design of GBS-specific primers 76 IV.5.2. Conventional and Real-Time PCR assays: 76 specificity and detection limit IV.5.3. Efficiency 77 ÍNDICE IV.6. EFFICACY OF L. salivarius V4II-90 TO ERADICATE GBS FROM THE INTESTINAL AND VAGINAL TRACTS OF PREGNANT WOMEN: CLINICAL TRIAL 77 IV.6.1. Design of the trial 77 IV.6.2. Collection and GBS analysis of the samples 78 IV.6.3. Statistical analysis 78 V. RESULTS 79 V.1. ASSESSMENT OF THE VAGINAL MICROBIOTA OF GBS-POSITIVE AND GBS-NEGATIVE FERTILE WOMEN (NON-PREGNANT AND PREGNANT) 81 V.2. ISOLATION AND CHARACTERIZACION OF THE SAFETY AND EFFICACY AGAINST GBS OF LACTOBACILLI ISOLATED IN THE PREVIOUS PHASE 84 V.2.1. Antimicrobial activity and production of potential antimicrobial compounds 84 V.2.2. Production of biogenic amines 85 V.2.3.