New model in diabetic mice to evaluate the effects of insulin therapy on biofilm development in wounds

Objective: Diabetic patients suffer more frequently from biofilm-associated infections than normoglycemic patients. Well described in the literature is a relationship between elevated blood glucose levels in patients and the occurrence of biofilm-associated wound infections. Nevertheless, the underlying pathophysiological pathways leading to this increased infection vulnerability and its effects on biofilm development still need to be elucidated. We developed in our laboratory a model to allow the investigation of a biofilm-associated wound infection in diabetic mice under controlled insulin treatment. Methods: A dorsal skinfold chamber was used on 16 weeks old BKS.Cg-Dock7m +/+ Leprdb/J mice and a wound within the observation field of the dorsal skinfold chamber was created. These wounds were infected with Staphylococcus aureus ATCC 49230 (106 cells/mL). Simultaneously, we implanted implants for sustained insulin release into the ventral subcutaneous tissue (N=5 mice). Mice of the control group (N=5) were treated with sham implants. Serum glucose levels were registered before intervention and daily after the operation. Densitometrical analysis of the wound size was performed at day 0, 3, and 6 after intervention. Mice were sacrificed on day 6 and wound tissue was submitted to fluorescence in situ hybridization (FISH) and colony forming unit (CFU) analysis in addition to immunohistochemical staining to observe wound healing. Experiments were carried out in accordance with the National Institute of Health Guidelines for the Care and Use of Laboratory Animals (protocol number 05/19).Results: The insulin implants were able to reduce blood glucose levels in the mice. Hence, the diabetic mice in the intervention group were normoglycemic after the implantation. The combination with the dorsal skinfold chamber allowed for continuous, in vivo measurements of the infection development. Implantation of the insulin implant and the dorsal skinfold chamber was a tolerable condition for the diabetic mice. We succeeded to realize reproducible biofilm infections in the animals. Discussion: We developed a novel model to assess interactions between blood glucose level and S. aureus -induced biofilm-associated wound infections. The combination of the dorsal skinfold chamber model with a sustained insulin treatment has not been described so far. It allows a broad field of glucose and insulin dependent studies of infection. Einleitung: Patienten mit Diabetes mellitus leiden häufiger unter Biofilm-assoziierten Infekten als normoglykämische Patienten. Das vermehrte zeitgleiche Auftreten erhöhter Blutzuckerwerte und Biofilm-assoziierter Wundinfekte ist gut beschrieben; der dieser erhöhten Infektvulnerabilität zugrundeliegende Pathomechanismus ist allerdings bisher nicht abschließend erforscht. Um dieses Forschungsfeld künftig tiefergehend zu studieren, haben wir in unserem Labor ein neues Tiermodel zur Untersuchung der Biofilmbildung in diabetischen Mäusen unter einer kontrollierten Insulinbehandlung etabliert. Material und Methoden: 16 Wochen alten BKS.Cg-Dock7m +/+ Leprdb/J Mäusen wurde in einem Rückenhautkammermodell eine dermale Wunde gesetzt. Diese Wunden wurden mit Staphylococcus aureus ATCC 49230 (106 Zellen/mL) infiziert. Zeitgleich wurden den Tieren je nach Versuchsgruppe (je N=5) entweder Insulin verabreichende subkutane Implantate (LinShin Canada Inc., Toronto, Canada) oder wirkstofffreie Implantate appliziert. Die Tiere lebten insgesamt 6 Tage. Täglich wurden das Gewicht, die Temperatur und Blutzuckerwerte der Tiere bestimmt. Nach 6 Tagen wurden Gewebeproben jeweils für Fluoreszenz-in-situ -Hybridisierung, CFU und immunhistochemische Färbungen gewonnen. Die Versuche sind entsprechend der Tierversuchsordnung des Landes Sachsen durchgeführt worden (TVV05/19).Ergebnisse: Wir konnten ein neuartiges zuverlässiges Modell zur Untersuchung der Insulintherapie auf die Ausbildung Biofilm-assoziierter Wunden in diabetischen Mäusen etablieren. Die Insulinpumpentherapie konnte eine Reduktion der Blutzuckerwerte erreichen. Die Kombination des Rückenhautkammermodells, welches kontinuierliche In-vivo-Untersuchungen der Infektion erlaubt, mit Insulinimplantaten ist ein für die diabetischen Mäuse gut tolerierbares Modell.Diskussion: Wir haben ein neuartiges Modell zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Insulin- und Blutzuckerwerten auf die Bildung von Biofilm-assoziierten Wundinfekten am diabetischen Tiermodell entwickelt. Dieses Modell eröffnet ein weites Spektrum an künftigen Forschungsfeldern.