Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/23047
Title: Metallic copper surfaces: Molecular basics for antimocrobial properties
Authors: Espírito Santo, Christophe Ruis 
Orientador: Morais, Paula Maria de Melim e Vasconcelos de Vitorino
Grass, Gregor
Issue Date: 25-Mar-2013
Citation: ESPÍRITO SANTO, Christophe Ruis - Metallic copper surfaces : molecular basics for antimocrobial properties. Coimbra : [s.n.], 2013. Tese de doutoramento
Abstract: Around the world billions of people touch surfaces many times a day, an important way of transmission of contaminating microbial pathogens in public and healthcare facilities. Among hospital users, hospital acquired infections (HAI) are one of the leading causes of death and morbidity among hospital users. The Centers for Disease Control and Prevention (CDC) reported a total of one hundred thousand deaths only in the United States of America in the year of 2009 with aggravated costs over forty-seven billion dollars. In England, a report from 2005 estimates that each year there are approximately 5,000 people killed by hospital acquired infections and over one billion British pounds are spent in costs associated with HAI. Copper and its minerals were used throughout the ages by many different civilizations for its natural medicinal and sanitizing powers. However, only recently, research has proven that applying metallic copper strongly reduces microbial surface-burden, both in laboratory settings and healthcare environments. This unique antimicrobial property of metallic copper is increasingly becoming recognized by microbiologists and hygiene specialists as a very promising novel tool for reducing hospital acquired infections. This present work explores different copper surfaces which have strong microbe-inactivating activities against a wide variety of microbes under moist (droplets of cell suspensions, mimicking splash-contamination) or dry (direct contact between cells and surfaces, mimicking touch surfaces) conditions. Here this work is focused on understanding the molecular mechanisms that lead to microbial death on solid copper surfaces. For instance, under wet conditions cells are killed within few hours. When cells are exposed, copper ions are released from the surface into the droplet, inactivating the cells when dissolved copper ions reach a critical toxic level. By this method cells are killed most likely due to copper ion interference with general metabolism and respiration. In contrast, cells in dry contact suffer fast killing: cells are inactive after few minutes of exposure. Upon contact the small amount of buffer that separates the cells from the surface dries in seconds. This leads to surface oxidation releasing high amounts of copper and, in addition, generating toxic reactive oxygen species. Subsequently, this inflicts damage to the cell, more specifically to the membrane lipids which are the closest biomolecules. Eventually this in severe membrane damage results in lethal structural instability. The cell’s membrane potential is lost and cytoplasmic content may be released. After cell death other biomolecules are also degraded by oxidation including degradation of cellular DNA. Furthermore, this work shows that this copper-mediated process of cell-inactivation termed “contact-killing” is not caused by genotoxicity. Our understanding of the antimicrobial properties of metallic copper surfaces have made great strides in the last five years and this work at hand has contributed significantly to deciphering the molecular processes leading to cell death. In addition, this work strongly points to a safe, economical and sustainable application of metallic copper surfaces in healthcare to prevent hospital acquired infections.
Em todo o mundo, milhões de pessoas contactam com superfícies, sendo esta uma forma significativa de contaminação com agentes patogénicos microbianos em hospitais e outras instalações públicas. As infeções hospitalares constituem uma das principais causas de morte e morbilidade entre os pacientes. O Centers for Disease Control and Prevention (Centro de Controlo e Prevenção de Doenças - CDC) relatou um total de 100 000 mortes só nos Estados Unidos da América em 2009, com custos agravados superiores a quarenta e sete mil milhões de dólares. Na Inglaterra, em 2005, foi reportado que em cada ano 5 mil pessoas morrem de infeções hospitalares com custos associados acima de um mil milhão de libras esterlinas. Os minérios de cobre foram utilizados ao longo dos séculos por muitas civilizações devido ao seu poder natural medicinal e de sanitização. No entanto, apenas recentemente, publicações científicas demonstram que a aplicação de ligas metálicas de cobre reduz fortemente a carga microbiana presente nas superfícies, tanto em condições laboratoriais como em ambientes hospitalares. Esta propriedade única antimicrobiana do cobre é cada vez mais reconhecida por microbiólogos e especialistas em higiene pública como uma nova ferramenta de combate a infecções hospitalares. O presente trabalho explora diferentes superficies de cobre que apresentam uma grande capacidade de inactivação de uma ampla variedade de micróbios em ambiente húmido (suspensões de células, imitando contaminação por gotículas) ou seco (contacto directo entre as células e as superfícies, imitando as superfícies de contacto). Em particular, foca-se na compreensão dos mecanismos moleculares que conduzem à morte microbiana em superfícies de ligas metálicas de cobre. Sob condições húmidas, as células são apenas inactivadas quando os iões de cobre dissolvidos atingem uma concentração tóxica crítica que, por sua vez, interferem provavelmente no metabolismo geral e na respiração. Em contraste, o contacto directo das células em meio seco resulta num choque rápido por iões de cobre levando à formação de espécies tóxicas reactivas de oxigênio. Consequentemente, este processo conduz ao aparecimento de danos nas células, mais especificamente, nos lípidos membranares, que são as biomoléculas mais próximas. As membranas são, portanto, gravemente danificadas, culminando na instabilidade letal da estrutura celular. Assim, o potencial de membrana perde-se e o conteúdo citoplasmático é libertado. Após a morte da célula, outras biomoléculas são também degradadas por oxidação, levando à degradação do ADN. Este trabalho indica, ainda, que o processo denominado “contact-killing” (morte por contacto), não é causado por genotoxicidade. Este trabalho vem contribuir para a compreensão das propriedades antimicrobianas das ligas metálicas do cobre. Igualmente, confirma-se aqui que a aplicação de ligas metálicas de cobre é bastante útil e segura em hospitais, como medida adicional para a prevenção de infeções hospitalares.
Description: Tese de doutoramento em Bioquímica, especialidade de Microbiologia, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.
URI: http://hdl.handle.net/10316/23047
Rights: openAccess
Appears in Collections:FCTUC Ciências da Vida - Teses de Doutoramento

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