A novel co-culture model of human bronchial epithelial cells and Pseudomonas aeruginosa biofilms to mimic chronic lung infections in cystic fibrosis

Abstract

Cystic fibrosis is a genetic disease, which manifests mainly in the lungs of the affected patients. Despite early, aggressive antibiotic treatment the patients sooner or later develop chronic bacterial lung infections. In vitro models can be useful tools in terms of getting a better understanding of this disease. Furthermore, they can be advantageous to evaluate safety and efficacy of novel drugs and drug delivery systems against the pathogens, the most prominent one being Pseudomonas aeruginosa. Aim of this work was to development a model of human bronchial epithelial cells in co-culture with P. aeruginosa biofilms in order to mimic chronic lung infections as they occur in cystic fibrosis. The here used human cell line CFBE41o- was characterized thoroughly for morphology, barrier properties, permeability and mucus production. Since the cell line does not produce mucus, which however plays a major role in the development of chronic CF infections, the application of external human mucus was successfully implied. Since direct infection with P. aeruginosa and biofilm development on the human cells did not lead to a stable model, the application of a preformed biofilm was utilized. This model was subsequently used to evaluate safety and efficacy of antibiotic-loaded nanoparticles against P. aeruginosa. These particles where nebulized on the co-culture and proved to be efficient not only against planktonic but also against the much more resistant biofilm grown bacteria.

Die angeborene Krankheit Mukoviszidose macht sich vor allem in der Lunge der betroffenen Patienten bemerkbar. Trotz frühzeitiger, aggressiver Antibiotikabehandlung leiden die Patienten irgendwann an einer chronischen Lungenentzündung. In vitro Modelle sind äußerst hilfreich um diese Krankheiten besser zu verstehen. Sie können außerdem dazu genutzt werden neue Arzneistoffe und Wirkstoffträger auf ihre Sicherheit und Wirksamkeit gegen Problemkeime zu untersuchen, allen voran sei hier Pseudomonas aeruginosa genannt. Ziel dieser Arbeit war es ein solches Modell, bestehend aus humanen Bronchialepithelzellen in Co-Kultur mit P. aeruginosa Biofilmen, welches die chronische Lungenentzündung bei Mukoviszidose widerspiegelt, zu entwickeln. Die verwendeten Zellen wurden eingehend charakterisiert. Da sie keinen Mukus produzieren und dieser eine wichtige Rolle bei der Manifestation der chronischen Lungenentzündung spielt, wurde externer humaner Mukus für das Modell verwendet. Eine direkte Infektion der Zellen mit P. aeruginosa und anschließender Biofilmentwicklung, führte zum vorzeitigen Tod der humanen Zellen. Daher wurde ein vorgeformter Biofilm auf die Zellen aufgebracht, um ein stabile Co-Kultur zu erhalten. Dieses Modell wurde nun genutzt um die Sicherheit und Effektivität antibiotika-beladener Nanopartikel gegen P. aeruginosa zu testen. Die auf die Co-Kultur vernebelten Partikel erwiesen sich sowohl gegen planktonische als auch gegen im Biofilm gewachsenen Bakterien als äußerst wirksam.