VitroInfect – Etablierung eines in vitro Biofilm-Plattformmodells für Gewebeinfektionen

Man geht davon aus, dass etwa 80 % aller chronischen Gewebeinfektionen mit dem Befall durch bakterielle Biofilme einhergehen. Wegen der ausgeprägten Widerstandsfähigkeit von Biofilmen gegenüber antimikrobiellen Wirkstoffen sind solche Infektionen in der Klinik schwer zu therapieren und mit einer starken Belastung für die Patienten verbunden. Um die Entwicklung und Therapie biofilm-assoziierter Gewebeinfektionen zu untersuchen, werden deshalb dringend aussagekräftige Infektionsmodelle benötigt.
Bisher beruht die Forschung in diesem Feld standardmäßig auf dem Einsatz von Tiermodellen. Eine mangelnde Übertragbarkeit auf den menschlichen Organismus sowie vorhandene ethische Bedenken verdeutlichen die Notwendigkeit der Entwicklung eines robusten und universell einsetzbaren In-vitro-Modells eines bakteriellen Biofilms als valide Alternative zu Tierversuchen. Bekannte In-vitro-Biofilm-Modelle basieren vorwiegend auf flachen, abiotischen Oberflächen und beinhalten meist keine humanen Zellen, wodurch sie in ihrer klinischen Relevanz stark eingeschränkt sind.

In diesem Projekt wurde ein Biofilm-Modell entwickelt, welches auf einem dreidimensionalen Gerüst elektrogesponnener Fasern beruht. Ziel war, die Mikroumgebung nativer Biofilme zu imitieren und eine Transferierbarkeit auf humane Gewebemodelle zu ermöglichen.
Aus Biopolymeren wurden mittels Elektrospinning Fasern entwickelt, welche in ihrem Durchmesser an die Größe relevanter Infektionskeime angepasst wurden. Im Zusammenhang mit der Einstellung einer geeigneten Benetzbarkeit soll dadurch die bakterielle Adhäsion erleichtert werden. Die Fasergerüste wurden außerdem so designt, dass sie eine hohe mechanische Stabilität aufweisen, um einen späteren Transfer zu ermöglichen. Die Kolonisation mit ein oder mehreren klinisch relevanten bakteriellen Erregern (z.B. Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus) erwies sich anschließend als sehr erfolgreich und resultierte in einer gleichmäßigen Verteilung, der Ausbildung von Kolonien und schließlich der Formierung ausgereifter Biofilme, die wichtige Eigenschaften nativer Biofilme aus Gewebeinfektionen aufwiesen. Im Folgenden wurden 3D-Modelle der menschlichen Haut mit dem separat kultivierten Biofilm-Modell infiziert, um eine chronische Wundinfektion zu simulieren und gleichzeitig das Gewebe über den Analysezeitraum nur minimal zu schädigen (Abb. 1).

Das entwickelte Biofilm-Modell spiegelt die In-vivo-Situation biofilm-assoziierter Gewebeinfektionen präzise wider und ist damit durch hohe klinische Relevanz gekennzeichnet. Hierdurch werden die Möglichkeiten der Untersuchung von Pathomechanismen einer manifesten, bakteriellen Infektion sowie die Entwicklung neuer wirksamer Therapien eröffnet.

Publikationen:
Waechter J, Vestweber PK, Jung N & Windbergs M, 2023. Imitating the microenvironment of native biofilms using nanofibrous scaffolds to emulate chronic wound infections. J. Mater. Chem. B, 2023, 11, 3212
Waechter J, Vestweber PK, Planz V & Windbergs M, 2023. Unravelling host-pathogen interactions by biofilm infected human wound models. Biofilm 6 (2023) 100164