Forscher drucken bakterielle Biofilme auf menschliche Lungenzellen, um chronische Lungeninfektionen zu untersuchen

Einige bakterielle Krankheitserreger bilden bei Infektionsprozessen sogenannte Biofilme, um sich vor Medikamenten oder Zellen des menschlichen Immunsystems zu schützen. Jedes Jahr sterben mehr als 500.000 Menschen an Infektionen im Zusammenhang mit Biofilmen. Forscher des Helmholtz-Instituts für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS) haben nun eine neuartige Methode entwickelt, um solche Biofilme im Labor auf Lungenzellen zu platzieren. Das mittels „Bioprinting“ hergestellte Modellsystem soll dazu beitragen, Infektionsprozesse besser zu verstehen und bei der Entwicklung neuer Wirkstoffe zu helfen. Die Forscher haben ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift veröffentlicht Biofabrikation.

Um neue Therapeutika gegen Infektionen zu entwickeln, sind Forscher auf Labormodelle angewiesen, mit denen sie den Infektionsprozess simulieren und untersuchen können. Insbesondere in der frühen Erprobung und Entwicklung von Wirkstoffen sind solche Modelle unerlässlich, um die Zahl der notwendigen Tierversuche möglichst gering zu halten. Bei Biofilm-assoziierten Infektionen sind diese Modelle sehr komplex, da mit dem Biofilm neben den menschlichen Zellen und den Krankheitserregern eine weitere Komponente ins Spiel kommt, die möglichst realitätsgetreu nachgebildet werden muss.

Einem Team um Claus-Michael Lehr, Leiter der Abteilung „Drug Delivery across Biological Barriers“ am HIPS und Professor für Biopharmazie und Pharmazeutische Technologie an der Universität des Saarlandes, ist es nun gelungen, ein solches Modellsystem zu entwickeln und zu charakterisieren. HIPS ist ein Standort des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Kooperation mit der Universität des Saarlandes.

In der veröffentlichten Studie werden die Bakterienzellen inklusive Biofilm mit einem speziellen 3D-Drucker auf eine Schicht Lungenepithelzellen aufgebracht. Dieses sogenannte „Bioprinting“ ist ein komplexer Prozess, der eine Tinte mit besonderen Eigenschaften erfordert. „Die Entwicklung eines Biofilm-Infektionsmodells ist nicht trivial, da das schnelle Wachstum von Bakterien und die Freisetzung von Toxinen leicht zum vorzeitigen Absterben der Lungenzellen führen können.“

Daher erfordert die Erhaltung des Biofilms in einem solchen System eine sehr kontrollierte Umgebung“, erklärt Claus-Michael Lehr. „Wir haben unsere 3D-gedruckten Biofilme so optimiert, dass sie einem nativen Biofilm sehr nahe kommen.“ Eine große Herausforderung bestand darin, dass die künstlichen Biofilme nach dem Abwaschen des überschüssigen Bioinks ihre Form behalten und keine toxische Wirkung auf die darunter liegenden Lungenzellen haben. Beide Herausforderungen haben mit dem entwickelten Modell zu ermutigenden Ergebnissen geführt.“

Um die Biokompatibilität mit menschlichen Zellen zu testen, wurden die Biofilme auf menschliche Bronchialepithelzellen gedruckt. Die hergestellten Konstrukte wurden unter anderem mittels Fluoreszenz- und Elektronenmikroskopie evaluiert und sukzessive optimiert. Auch die Empfindlichkeit der Bakterien im Biofilm gegenüber klinisch eingesetzten Antibiotika wurde untersucht. Die gedruckten Biofilme führten zu einem ähnlichen Schutz der Bakterien vor einer Behandlung mit Antibiotika wie native Biofilme und sind daher ideal geeignet, eine entsprechende Behandlung zu simulieren.

„Mit unserer Methode können nun mehrere Aspekte einer Biofilm-assoziierten Infektion gleichzeitig analysiert werden, darunter Morphologie, Antibiotikaempfindlichkeit oder Veränderungen im Stoffwechsel“, sagt Samy Aliyazdi, Ph.D. Student am Lehrstuhl von Claus-Michael Lehr und Erstautor der Studie. „Mithilfe des 3D-Bioprintings konnten wir ein robustes humanbasiertes In-vitro-Modell erstellen, das wir nun für die Entwicklung neuartiger Antiinfektiva nutzen wollen.“