Infection of bronchial epithelial cells with pre-grown P. aeruginosa biofilms at Air-Liquid Interface for testing nebulized anti-infectives in vitro

Abstract

Patients suffering from lung diseases as cystic fibrosis are especially at risk contracting chronic bacterial infections1,2. In anti-infective research, one of the alternatives to experiments on animals are novel in vitro models3,4. In contrast to traditional tests, that comprise bacteria and the agent in one well, novel co-cultures with mammalian cells help to get a deeper understanding of host-pathogen interactions3,5. This work is aimed at creating and testing a realistic in vitro bronchial model of a P. aeruginosa6 biofilm infected patient and its treatment with anti-infectives as inhaled tobramycin. In the first of two experimental parts, the technical procedure for depositing antibiotics on top of Transwell® inserts by using a device developed at HIPS is presented. The deposition of a metered dose is thereby controlled by the invested volume. The system is tested for its applicability for infection research by assessing toxicity on cells, amongst others. The second part presents the development and testing of a biofilm infected in vitro model of the lung with cells growing at the air-liquid interface. Either tobramycin and a novel pathoblocker7 was used for testing. On the basis of the previous thesis of Dr. Juntke8,9, a chronic-like system could be established via multiple consecutive aerosolized treatments with tobramycin4.

Patienten, die an Lungenkrankheiten wie der Mukoviszidose leiden, sind besonders anfällig, bakterielle Erkrankungen zu entwickeln1,2. In vitro Modelle sind dabei eine der Alternativen zu in vivo Tierversuchen3,4. Anders als traditionelle Tests, die nur Bakterien und Antibiotika in vitro untersuchen, können neue Co-Kulturen mit humanen Zelllinien zum Verständnis der „Host-Pathogen Interaction“ beitragen3,5. Diese Arbeit befasst sich mit der Erstellung und Testung eines möglichst realistischen in vitro Bronchialmodells eines mit einem P. aeruginosa6 Biofilm infizierten Patienten und dessen Behandlung durch Inhalation von Anti-Infektiva wie z.B. Tobramycin. Im ersten von zwei experimentell erarbeiteten Teilen wird ein neu entwickeltes System vorgestellt, mit dem man Antibiotika auf Transwell® Einsätzen als Aerosol applizieren kann. Die deponierte Dosis wird dabei durch das Volumen der zu vernebelnden Flüssigkeit kontrolliert. Die Eignung für ein entsprechendes Infektionsmodell wird unter anderem durch die Bestimmung der Toxizität auf Zellen geprüft. Der zweite Teil befasst sich mit der Entwicklung und Testung eines mit Biofilm infizierten Modells der Lunge mit an der Luft ausgesetzten Bronchialepithelzellen. Dabei wurde neben Tobramycin auch ein neuartiger Pathoblocker7 eingesetzt. Aufbauend auf die vorausgegangene Dissertation von Dr. Juntke8,9 konnte durch konsekutive Applikationen von aerosolisiertem Tobramycin ein über mehrere Tage infiziertes Modell erreicht werden4.