USE OF PROBIOTICS AND BACTERIOPHAGES IN HOSPITAL ENVIRONMENT FOR HAI CONTROL: POTENTIAL AS SANITIZING AGENTS

Le infezioni correlate all'assistenza sanitaria (ICA) e l’aumento dei microrganismi multiresistenti ai farmaci rappresentano un problema globale. D’altra parte, la contaminazione persistente delle superfici ospedaliere contribuisce alla trasmissione dell'ICA, e non è controllata efficientemente dalla pulizia convenzionale. Nella ricerca di approcci ecosostenibili e maggiormente efficaci, abbiamo recentemente dimostrato che un sistema di pulizia a base probiotica (Probiotic Cleaning Hygiene System, PCHS) può abbattere stabilmente i patogeni presenti sulle superfici ospedaliere, senza selezionare specie antibiotico-resistenti. Sulla base dei risultati precedenti, il primo obiettivo è stato quello di determinare se l'applicazione del PCHS potesse avere un impatto sull'incidenza dell'ICA. A questo scopo, è stato eseguito uno studio multicentrico, pre-post interventistico, nei reparti di Medicina Interna di sei ospedali italiani per 18 mesi. L'intervento è consistito esclusivamente nella sostituzione della sanificazione chimica con il PCHS, mantenendo inalterata ogni altra procedura che potesse influire sul controllo delle ICA. Per tutta la durata dello studio, l'incidenza delle ICA e la contaminazione superficiale sono state analizzate in parallelo. Il PCHS è risultato associato ad una maggior e stabile diminuzione dei patogeni superficiali rispetto alla sanificazione convenzionale (diminuzione media dell'83%), accompagnata da un decremento di tutti i geni di resistenza ai farmaci presenti nel microbiota residuo, confermando anche in campioni più ampi l’effettiva rimodulazione del microbiota da parte del sistema probiotico. Il PCHS è risultato associato ad una significativa diminuzione dell'incidenza di ICA (diminuzione del 52%, p<0,001) negli ospedali trattati, mostrando un ruolo protettivo. Tuttavia, l'azione del PCHS è graduale e non specifica. Per migliorare le prestazioni del sistema si è pensato all’uso di batteriofagi, che, essendo specifici e ad azione rapida, sono stati proposti in letteratura come metodo di decontaminazione. A questo scopo, l'attività dei fagi è stata prima valutata in vitro su diversi tipi di superfici dure artificialmente contaminate dai principali batteri ICA-associati. I risultati hanno mostrato che i fagi potevano ridurre rapidamente i batteri target sulle superfici trattate e mantenevano la loro piena attività quando sospesi nel detergente. Con l'obiettivo di analizzare l'efficacia di un trattamento combinato fagi/PCHS sul campo, è stato condotto uno studio monocentrico in un ospedale italiano, analizzando la contaminazione stafilococcica nei bagni, essendo questi ultimi le aree più contaminate e gli stafilococchi i batteri più prevalenti in tali ambienti. Sono state incluse otto camere in totale, quattro delle quali sono state trattate con solo il PCHS, mentre le altre con i fagi in aggiunta al PCHS. Prima di effettuare il trattamento, abbiamo valutato la sensibilità ai fagi delle specie contaminanti le superfici, e i risultati hanno mostrato che le specie più prevalenti (stafilococchi coagulasi negativi) erano sensibili all’azione litica virale. Durante lo studio, le superfici trattate sono state analizzate con metodi microbiologici e molecolari specifici. I risultati hanno evidenziato una rapida, e specifica diminuzione di stafilococchi sulle superfici trattate quando usato il sistema combinato (fino al 97% in più rispetto al trattamento con il PCHS (P<0,001)). Non sono state osservate variazioni in altri batteri, a conferma di un'azione specifica dei fagi. I dati suggeriscono che un sistema di sanificazione con fagi/PCHS determina una decontaminazione rapida, specifica e stabile, e potrebbe quindi essere considerato come parte delle strategie di prevenzione e controllo delle infezioni, per contrastare gli outbreaks causati da specifici agenti patogeni.

Use of probiotics and bacteriophages in hospital environment for HAI control: Potential as sanitizing agents. Healthcare Associated Infections (HAIs) are a global concern, further threatened by the increasing of multidrug resistant HAI-associated pathogens. Persistent contamination of hospital surfaces contributes to HAI transmission, and it is not efficiently controlled by conventional chemical-based cleaning. In the search for effective approaches, we recently studied an eco-sustainable probiotic-based cleaning system (Probiotic Cleaning Hygiene System, PCHS), showing that it can stably abate surface pathogens, without selecting antibiotic-resistant species. Based on such observations, the first aim of the project was to determine whether PCHS application could impact on HAI incidence. To this purpose, a multicentre, pre-post interventional study was performed for 18 months in the Internal Medicine wards of six Italian public hospitals. The intervention consisted uniquely in the substitution of conventional sanitation with PCHS, maintaining unaltered any other procedure influencing HAI control. For the whole duration of the study, HAI incidence and surface bioburden were analysed in parallel. PCHS was shown to be associated with a stable decrease of surface pathogens ( >80% more compared to pre-PCHS phase), accompanied by a concurrent drop of microbiota drug-resistance genes, confirming in a large sample the PCHS ability to effectively remodulate the environmental contamination and reduce the antimicrobial resistance (AMR) burden. Notably, the analysis of the HAI incidence evidenced that the PCHS-induced remodulation of hospital microbiota was associated with a 52% decrease of HAI incidence in PCHS compared to pre-PCHS period (P<0.0001). However, PCHS action was gradual and non-specific, and thus it cannot be considered as a rapid mean for the eradication of specifically targeted pathogens. With the aim of improving PCHS performance, we focussed upon the possibility to use the bacteriophage, which due to the selective killing of specific bacteria, have been proposed as a decontamination method in literature. To this aim, phage activity was first assessed in vitro and in situ, on different types of hard surfaces artificially contaminated by the major HAI-associated bacteria. The results showed that phages could rapidly and significantly reduce target bacteria on treated surfaces, and maintained their full activity when suspended in the detergent. With the aim to analyse the feasibility and effectiveness of a combined phage/PCHS sanitation in hospital, a monocentric study was performed in the Internal Medicine ward of an Italian hospital, focusing on the Staphylococcal contamination in the bathrooms, being bathrooms the most contaminated areas and Staphylococci the most prevalent bacteria in such settings. Eight total rooms were enrolled, four of which were treated with PCHS alone, whereas the other four rooms received combined phage/PCHS sanitation. Staphylococcal contamination was characterized prior phage application, to check the susceptibility of the contaminating strains, showing that all most prevalent species (coagulase–negative Staphylococci) were susceptible to phage lysis. Treated surfaces were analysed for residual Staphylococcal contamination and for phage presence by specific microbiological and molecular methods. Nebulization of phages in addition to PCHS sanitation was associated with a rapid, significant and specific decrease of Staphylococcus spp. on treated surfaces, up to 97% more than PCHS alone (P<0.001). No variations were observed in other bacterial genera, confirming a specific action of phages. Collected data suggest that the use of a phage/probiotic sanitation is associated with a rapid, specific and stable decontamination and such system might be considered as a part of infection prevention and control strategies, to counteract outbreaks of specific pathogens and prevent associated infections.