Исследователи печатают бактериальные биоплёнки на клетках лёгких для изучения хронических инфекций
Некоторые бактериальные патогены образуют так называемые биоплёнки во время инфекционных процессов, чтобы защитить себя от лекарств или клеток иммунной системы человека. Ежегодно более 500 000 человек умирают от инфекций, связанных с биоплёнками. Исследователи из Института фармацевтических исследований Гельмгольца в Саарланде (HIPS) разработали новый метод размещения таких биоплёнок на клетках лёгких в лаборатории. Модельная система, созданная с помощью "биопечати", должна помочь лучше понять процессы инфекции и способствовать разработке новых активных веществ. Результаты опубликованы в журнале Biofabrication.
Для разработки новых терапевтических средств против инфекций исследователям необходимы лабораторные модели, позволяющие имитировать и изучать инфекционный процесс. Такие модели особенно важны на ранних этапах тестирования и разработки активных веществ, чтобы свести к минимуму количество необходимых экспериментов на животных. В случае инфекций, связанных с биоплёнками, эти модели очень сложны, поскольку помимо клеток человека и патогенов появляется ещё один компонент — биоплёнка, которую необходимо воспроизвести максимально реалистично.
Команде под руководством Клауса-Михаэля Лера, заведующего отделом доставки лекарств через биологические барьеры в HIPS и профессора биофармации и фармацевтической технологии Саарландского университета, удалось разработать и охарактеризовать такую модель. HIPS является площадкой Центра исследования инфекций Гельмгольца (HZI) в сотрудничестве с Саарландским университетом.
В опубликованном исследовании бактериальные клетки вместе с биоплёнкой наносятся специальным 3D-принтером на слой лёгочных эпителиальных клеток. Этот так называемый "биопринтинг" — сложный процесс, требующий чернил со специальными свойствами.
"Разработка модели инфекции биоплёнки нетривиальна, поскольку быстрый рост бактерий и выделение токсинов могут легко привести к преждевременной гибели клеток лёгких. Сохранение биоплёнки в такой системе требует очень контролируемой среды", — объясняет Клаус-Михаэль Лер. "Мы оптимизировали наши 3D-печатные биоплёнки, чтобы они были очень близки к нативной биоплёнке. Основной проблемой было то, что искусственные биоплёнки сохраняют свою форму после смывания излишков биочернил и не оказывают токсического действия на подлежащие клетки лёгких. Обе эти проблемы привели к обнадёживающим результатам с разработанной моделью".
Для тестирования биосовместимости с клетками человека биоплёнки печатали на клетках бронхиального эпителия человека. Полученные конструкции оценивали с помощью флуоресцентной и электронной микроскопии, среди прочих методов, и постепенно оптимизировали. Также исследовали чувствительность бактерий в биоплёнке к клинически используемым антибиотикам. Напечатанные биоплёнки обеспечивали аналогичную защиту бактерий от лечения антибиотиками, как и нативные биоплёнки, и поэтому идеально подходят для моделирования соответствующего лечения.
"Наш метод теперь можно использовать для одновременного анализа нескольких аспектов инфекции, связанной с биоплёнкой, включая морфологию, чувствительность к антибиотикам или изменения в метаболизме", — говорит Сэми Алиязди, аспирант отдела Клауса-Михаэля Лера и первый автор исследования. "Используя 3D-биопечать, мы смогли создать надежную человеческую in vitro модель, которую теперь планируем использовать для разработки новых противомикробных средств".