Spatio-temporal in silico und 3-D in vitro Analysen mit Optimierung anti-Infektiven Strategien gegen Pseudomonas aeruginosa Biofilm

Micro-colonisation and biofilm formation of Pseudomonas aeruginosa (PA), an opportunistic gram-negative bacterium, is a major problem in immunocompromised patients. PA biofilm, which has a mushroom morphology in vitro, provides the bacteria with a structural persistence against antibiotic treatment. In vitro experiments have shown that constant exposure of PA biofilm with antibiotics is not an effective strategy to eliminate the bacteria. Biofilm morphologies are critical in optimising and enhancing the potential usage of individuals antibiotics in maximising the eradication of pathogens while at the same time reducing the effect of toxicity to the patients. We developed an agent-based model regarding biofilm formation, studying the effect of different treatment regimens of antibiotics, namely Tobramycin and Colistin. These antibiotics target different viable mechanisms of bacterial homeostasis. Using our antibiotics mode-of-action model embedded within our agent-based model, helped by a stochastic optimisation tool, namely Differential Evolution, we optimised the antibiotics treatment strategy concerning the duration and the amount of deployed antibiotic to reach a better PA clearance. Our model shows the efficiency of Colistin treatment, even in a very low dose, which targets the cell membrane irrespective of the bacterial metabolic state. In contrast, Tobramycin blocks protein synthesis and depends upon cellular nutrient uptake. Our results suggest that with a combined switching therapy in which at least two viable mechanisms of bacterial homeostasis are the targets, elimination of bacteria is more effective than using a single antibiotic. Our mathematical analyses, including our optimisation, suggest few schemes or patterns for antibiotics deployment that are suitable for Tobramycin and Colistin when biofilm treated with single antibiotic or with combinations. These schemes show an event where the biofilm is the most vulnerable, and we could simulate the best eradication. Our results suggest that our steady-state morphological behaviours indicate the persistence of biofilm stature and infections and could be brought forward to designing new antibiotics treatment regimens against lung biofilm infections.
Die Mikrokolonisierung und Biofilmbildung von Pseudomonas aeruginosa (PA), einem opportunistischen gramnegativen Bakterium, ist ein Hauptproblem bei immungeschwächten Patienten. PA-Biofilm, der eine Pilzmorphologie in vitro aufweist, verleiht den Bakterien eine strukturelle Persistenz gegen die Behandlung mit Antibiotika. In-vitro -Experimente haben gezeigt, dass eine konstante Exposition von PA-Biofilm mit Antibiotika keine wirksame Strategie zur Beseitigung der Bakterien darstellt. Biofilm morphologien sind kritisch und entscheidend für die Optimierung und Verbesserung des potenziellen Einsatzes von Antibiotika bei Einzelpersonen, um die Verdrängung von Krankheitserregern von PA zu maximieren und gleichzeitig die Auswirkungen der Toxizität auf die Patienten zu verringern. Wir haben agentenbasiertes Modell zur Bildung von Biofilmen entwickelt, in dem die Wirkung verschiedener Behandlungsschemata von Antibiotika, nämlich Tobramycin und Colistin, untersucht wurde. Diese Antibiotika zielen auf verschiedene existenzfähige Mechanismen der bakteriellen Homöostase ab. Mithilfe unseres agentenbasiertes Modell, eingebetteten Wirkungsmodells für Antibiotika und Mithilfe eines stochastischen Optimierungstools, nämlich Differential Evolution Verfahren, haben wir die Strategie zur Behandlung von Antibiotika hinsichtlich der Dauer und der Menge des eingesetzten Antibiotikums optimiert, um eine bessere Therapie gegen PA Biofilm zu realisieren. Unser Modell zeigt die Effizienz der Colistin-Behandlung, selbst in einer sehr geringen Dosis, die unabhängig vom bakteriellen Stoffwechselzustand auf die Zellmembran abzielt. Im Gegensatz dazu, blockiert Tobramycin die Proteinsynthese und hängt von der Aufnahme von Zellnährstoffen ab. Diese Wirkungsmodelle für die einzelnen Anti-Infektiven und ihre Optimierungsregime werden mit den Versuchsaufbauten erneut validiert. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass bei einer kombinierten Schalttherapie, bei den mindestens zwei existenzfähigen Mechanismen der bakteriellen Homöostase angestrebt werden, die Eliminierung von Bakterien wirksamer ist als die Verwendung eines einzelnen Antibiotikums. Unsere mathematischen Analysen, einschließlich unserer Optimierung, legen nahe, dass bestimmtes Schema der Flüssigkeitsdurchflüsse für den Einsatz von Antibiotika für Tobramycin und Colistin geeignet sind, wenn der Biofilm mit einem einzelnen Antibiotikum oder mit Kombinationen von Antibiotika behandelt wird. Diese Schemata zeigen ein Ereignis, bei dem der Biofilm am anfälligsten ist, und wir könnten eine Simulation der besten Verdrängung von PA Krankheitserregern erzielen. Unsere Ergeb- nisse deuten darauf hin, dass unser morphologisches Verhalten im Steady-State auf die Persistenz von Biofilmstatur und -infektionen hinweist und zur Entwicklung neuer Antibiotika-Behandlungsschemata gegen Lungenbiofilminfektionen beitragen könnte.