Weiss Nielsen , Martin

Bakterielle infektioner kan have en stor indvirkning på helbredstilstanden for normalt raske mennesker, men personer med cystisk fibrose (CF) er utroligt modtagelige for at erhverve sig lungeinfektioner med bakterier fra de nære omgivelser, vira og svampearter. Pulmonære infektioner er den væsentligste årsag til morbiditet og dødsfald hos CF patienter. Den genetiske defekt hos CFpatienter medfører et ændret miljø i luftvejene og medvirker til, at P. aeruginosa vedbliver og etablerer kroniske infektioner. Kroniske P. aeruginosa infektioner hos CF-patienter er kendetegnet ved omdannelse til en mucoid fænotype og intensiv biofilmdannelse. Forskellige mikromiljøer i luftvejene hos patienterne fører til fænotypisk og genotypisk diversificering, modellerer bakterierne til effektivt at kunne kolonisere de forskellige nicher i CF luftvejene. Trods intensiv antibiotika behandling og kraftige immunologiske reaktioner, fortsætter de bakterielle infektioner. Det vedvarende polymorphonucleære neutrophile granulocyt (PMN) immunrespons bidrager til dannelsen af ændringer i luftvejenes oxygen miljøer hos CF patienter. P. aeruginosa er i stand til at vokse i iltfattige miljøer, der gør dem i stand til at tilpasse sig forskellige nicher i luftvejene, mens det igangværende immunrespons gradvist fører til pulmonær ødelæggelse. Fysiologiske forskelligheder i oxygen miljøerne er tilstede i forskellige dele af CF luftvejene, og har stor indflydelse på bakteriel vækst og effekt af den kemoterapeutiske behandling af infektionerne.Adskillige in vivo og in vitro modelsystemer er tilgængelige for studier af CF relaterede bakterielle infektioner. In vivo systemer, som den bredt anvendte musemodel mangler primært essentielle CF relaterede træk, som udviklingen af spontan lungesygdom. In vitro systemer, som flowcelle systemet, har givet væsentlige informationer om aspekter af biofilm dannelse, men tillader kun dannelse af meget kunstige biofilm med mangel af adskillige CF luftvejs scenarier.Hovedpunkterne i dette projekt er inspireret af luftvejene hos CF patienter og den rolle som P. aeruginosa har i respiratoriske infektioner. Et af formålene med denne afhandling var at udvikle et præcist redskab til dyrkning af biofilm, som kan efterligne cystisk fibrose luftvejene og disses ændrede ilt miljøer. Mikrofluide tilgangsvinkler, der tillader biofilmformation under kontrollerbare iltkoncentrationer og endvidere tillader migration mellem de enkelte rum, er foreslået i denne afhandling. En tilgang til at efterligne akkumulering af fortykket slim, der understøtter biofilmvækst i en 3D matrix i CF luftvejene, er ydermere præsenteret. Brugen af vores allerede etablerede flow cellesystem blev udvidet til biofilmdannelse med S. cerevisiae. Den potentielle positive effekt som flowcelle systemet kan have på andre studier med svampearter af opportunistiske patogener som f.eks. A. fumigatus eller C. albicans, er utvivlsomt af stor relevans.De præsenterede mikrofluide systemer er i overensstemmelse med tanken om at udvikle in vitro systemer til at opnå optimale betingelser for CF forskning, erstatte dyremodeller og reducere mængden af benyttede kemikalier.Bacterial infections have a large impact on the health of the general public, however individuals with cystic fibrosis (CF) are immensely susceptible to acquire pulmonary infections with environmental bacteria, viruses and fungal species. Ultimately pulmonary infections are the major cause of morbidity and mortality in CF patients. The genetic defect of CF patients alters the environment of the airways aiding P. aeruginosa to persist and establish chronic infections. Chronic P. aeruginosa infections in CF patients are characterized by conversion to a mucoid and intensive biofilm formation. Different microenvironments within the airways of the patients lead to phenotypic and genotypic diversification, sculpting the bacteria to become an efficient colonizer despite the environmental niche in the CF airways. Despite intensive antibiotic treatment and a profound immunologic response, the infections persist. The ongoing polymorphonuclear leukocyte (PMN) immune response contributes to the generation of oxygen changes in the CF airway environments in a major way. P. aeruginosa is capable of growing in anoxic environments which makes it capable of adapting to different niches of the airways, while the ongoing immune response gradually leads to pulmonary deterioration. Physiologically different oxygen environments are present in the different compartments of the CF airways and this has a profound impact on bacterial growth and the effect of chemotherapeutics to eradicate the bacteria. Several in vivo and in vitro model systems are available to study CF associated bacterial infections. In vivo systems like the widely used mouse model primarily lack essential CF related traits as the development of the significant spontaneous lung disease. In vitro systems like the flow cell system has proven essential aspects on biofilm formations, however generates highly artificial biofilms that lack several CF airway scenarios. The driving force and the heart of this project has its origin in the study of the role played by P. aeruginosa in the CF airways. One of the aims of this thesis was to develop an accurate tool for growing biofilms that can mimic the cystic fibrosis airways, emulating one of the most important characteristics of the human airways, the oxygen environments. Microfluidic approaches that allow biofilm formation under controllable oxygen concentrations, and furthermore enable migration between the individual compartments, are proposed in this thesis. An approach to mimic the accumulation of thickened mucus that supports biofilm growth in a 3D matrix within the CF airways is furthermore proposed. The use of our already set flow cell systems was extended to another biofilm forming S. cerevisiae. The potential positive impact that the flow cell system can have on studies with other fugal species as the opportunistic pathogens, A. fumigatus or C. albicans, is without a doubt highly relevant. The presented microfluidic systems are in line with the thought of developing in vitro systems to obtain optimal conditions for CF research, replace animal models and reduce chemicals used

Online Research Database In Technology

Next generation in vitro systems for biofilm studies - a cystic fibrosis patient airway perspective

http://orbit.dtu.dk/ws/files/77905034/PhD_Thesis_Martin_Weiss_Nielsen_21_maj_..PDF

Next generation in vitro systems for biofilm studies - a cystic fibrosis patient airway perspective

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology