Entwicklung eines 3-D-Hautorganoids zur Untersuchung biofilmassoziierter Implantatinfektionen

Status:

abgeschlossen 06/2024

Zielsetzung:

Ziel des Forschungsvorhabens war die Etablierung eines 3D-Gewebeäquivalents, welches sich für die Erforschung von Implantatinfektionen eignet. Hiermit sollte auch die Frage beantwortet werden, ob es Staphylokokken gelingen kann, durch geschlossene Haut zu einem Implantat vorzudringen. Dies sollte in vier Zielkomplexen erreicht werden:

I. Etablierung eines 3D-Gewebes

II. Etablierung eines infizierten 3D-Gewebes

III. Etablierung eines 3D-Gewebes mit intradermalem Implantat

IV. Etablierung eines 3D-Gewebes mit infiziertem Implantat

Aktivitäten/Methoden:

I. Zum Aufbau des 3D-Gewebes wurden in einem Transwell-System humane Fibroblasten in einer Kollagenmatrix kokultiviert mit darauf ausgesäten Keratinozyten. Im Airlift-Verfahren erhielten die Keratinozyten apikal Luftkontakt, während die Ernährung der Zellen mit Kulturmedium basal über eine permeable Membran erfolgte.

II. Dieses 3D-Gewebe wurde zur Simulation einer Hautinfektion mit isokonzentrierten Suspensionen von biofilmbildendem Staphylococcus (S.) aureus, S. epidermidis sowie einer Mischung beider Bakterienspezies inokuliert. Die Kontrollbehandlung erfolgte mit NaCl.

III. Vor Ausreifung des 3D-Gewebes wurde eine Probe eines Silikonimplantats eingebracht.

IV. Das 3D-Gewebe mit Implantat aus III. wurde mit Bakterien behandelt wie II.

Mittels Histologie und Immunhistochemie wurden der Aufbau des 3D-Gewebes einschließlich Zell-Zell-Kontakte und die Ausbildung des Biofilms untersucht. Laktatdehydrogenase (LDH) und AIF-Expression wurden als Maß für den Zelltod bestimmt. Das Zytokinprofil wurde mittels ELISA gemessen. Zusätzlich erfolgte Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) zur Lokalisation der Erreger und Darstellung der Biofilme und Aktivität der Erreger.

Ergebnisse:

I. Unter den Bedingungen des Airlift-Verfahrens entwickelte sich innerhalb von 30 Tagen ein reifes 3D-Gewebe mit hauttypischer Gewebearchitektur in differenzierten Schichten und regelhaften Zell-Zell-Kontakten.

II. Es bildeten sich reife Biofilme aus. Die Zellen des 3D-Gewebes reagierten mit der Ausschüttung proinflammatorischer Zytokine. Unter Infektion kam es zur Auflösung von Zell-Zell-Kontakten. Dabei war trotz gleicher Bakterienkonzentration der polymikrobielle Biofilm aggressiver. In diesem beeinflussten sich beide Bakterienspezies in Biofilmbildung und provozierten unterschiedliche Zytokinreaktionen der Hautzellen.

III. Auch unter Einbringen eines Implantats bildete sich reifes 3D-Gewebe aus. Silikon zeigte sich im Modell nicht zytotoxisch, rief jedoch eine proinflammatorische Antwort der Hautzellen hervor.

IV. Im Implantatmodell bildete sich reifer Biofilm aus. Trotz gleicher Bakterienkonzentration war die Zytotoxizität bei gleichzeitigem Vorhandensein eines Implantats größer und die proinflammatorische Zytokinreaktion intensiver. Ein Implantat begünstigt das Infektionsgeschehen.

Zusammenfassend konnten wir ein 3D-Gewebeäquivalent etablieren, welches eine reproduzierbare Untersuchungsplattform für in vitro Forschung zu Biofilm, Biokompatibilität von Fremdmaterial sowie Implantatinfektionen bietet. Durch die gewebeäquivalente Architektur ist es den bislang dominierenden 2D-Kulturen deutlich überlegen und verzichtet dabei vollständig auf Tierversuche. Es erlaubt damit bspw. die Austestung antimikrobieller Substanzen und Oberflächenbehandlungen von Implantaten sowie die Biofilmanalyse.

Stand: