Biofilmsimulation

Biofilme sind Quelle für Infektionen, Ursachen für das Versagen von Anlagen im Wassermanagement oder Grund für den Ausfall von Sensoren. Ihre Bekämpfung erfordert oft umfassende, aufwendige Maßnahmen. Daher ist das Ziel jeder Biofilmsimulation eine vergleichende Prüfung der Bakterienadhärenz und der Biofilmbildung auf (Bio-)Materialoberflächen sowie die Betrachtung der Effekte antibakterieller Agenzien. Da unterschiedliche Materialien unterschiedlich eingesetzt werden, wird die Biofilmsimulation auch mit unterschiedlichen Mischkulturmodellen durchgeführt – um so das optimale Ergebnis für das jeweilige Material zu erhalten. Dafür steht dem iba hochleistungsfähiges Equipment zur Verfügung: Bioreaktoren mit zentraler Steuerung, pumpenbetriebene Fließkammern im Bypass der Bioreaktorgefäße (in den Kammern sind die zu untersuchenden Materialien integriert), Mikroskope und sensorische Geräte (zur Messung der Korrosion, Impedanz und Fluoreszenz).

Die vom iba durchgeführten Biofilmsimulationen werden vielfältig eingesetzt. Ob zur Prüfung des biofilmbildenden Potentials von Materialien in der Medizin, Biotechnologie und industrieller Produktion, zur Prüfung antiadhäsiver Oberflächenkonzepte oder zur Testung antibakterieller Wirkstoffe zur Bekämpfung von Biofilmen – das Ziel ist immer dasselbe: Biofilme vermeiden und bekämpfen.

Unsere Biofilmsimulation:

  • „In vitro“-Biofilmsimulationskonzept, basierend auf steuerbaren Kultivierungsgefäßen (in der Regel Bioreaktoren mit bis zu sechs unabhängigen Kultivierungsgefäßen)
  • bis zu fünf Reinkulturen der Spezies eines Bakterienmodells (S1- und S2-Mikroorganismen) können mittels batch- bzw. steady-state-Kultivierung vorbereitet werden. Die steady-state-Kultivierung sichert ein jeweils gleiches physiologisches Aktivitätsmuster beim Start einer Biofilmsimulation
  • Biofilmsimulation unter den Bedingungen einer Mischkultur aus bis zu fünf Bakterienspezies im sechsten Bioreaktor
  • Crossflow der Bakteriensuspension über die zu prüfenden Materialoberflächen, welche in ankoppelbaren Fließkammern integriert sind. In Abhängigkeit der Oberflächeneigenschaften der Materialien (und der Bakterien) adhärieren Bakterien und bilden – abhängig von der Inkubationszeit – einen zunehmenden, selbstorganisierenden Biofilm. Dieser entspricht in seinen strukturellen Eigenschaften (bakterielle Komposition, Matrixsubstanzen) idealerweise den natürlichen Biofilmen
  • On- und Offline-Analyse der adhärierenden Bakterienpopulation
  • Simulation der Biofilmbildung mit Hilfe mathematischer Verfahren
  • in vitro-Biofilmmodelle

    Die Basis der Biofilmsimulation bilden bakterielle Mischkulturmodelle aus jeweils fünf repräsentativen Bakterienspezies. Sie sind an die Aufgaben und Einsatzorte der zu prüfenden Oberflächen angepasst. Das iba unterscheidet bei den „in vitro“-Biofilmenmodellen zwischen medizinischen Biofilmmodellen und Wassermodellen.

    Bei den medizinischen Biofilmmodellen –dentale Plaque, Infektionen und dem Gallengang – steht die Untersuchung der Biofilmbildung auf Implantatoberflächen, Stents bzw. Kathetern im Vordergrund. Die klinische Validierung des Plaquemodells erfolgte in Kooperation mit dem Zentrum Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde der Universität Göttingen (Abteilung Prothetik).

    Die Wassermodelle (Trinkwasser, Flusswasser und Abwasser) werden als praxisnahe mikrobiologisch kontaminierte Habitate beim Einsatz von Wassersensoren und im produktionstechnischen und kommunalen Wassermanagement eingesetzt.

  • Analyse

    Die sich bei Simulationsuntersuchungen ausbildenden Biofilme werden online (während der Inkubationsphase) und offline (nach Beendigung der Inkubationsphase) analysiert. Dafür stehen verschiedenste Verfahren zur Verfügung:

    • lichtmikroskopische Detektion der Adhärenz von Bakterien während der Inkubationsphase (Analyse der Biofilmbildungskinetik)
    • impedimetrische Analyse der Biofilmbildung direkt an den Materialoberflächen
    • Bestimmung der Gesamtbakterienzahl und des Lebend-Tot-Verhältnisses innerhalb der Biofilmpopulation nach Inkubation mittels Fluoreszenzmikroskopie
    • CLSM-Analyse zur Detektion der Biofilmstruktur (3D-Scan), der Bakterienzusammensetzung in der Biofilmpopulation (FISH) und Matrixproduktion (Lectinbindung durch EPS)
    • REM-Analyse der Biofilmstruktur
    • Nachweis von Biofilmen mittels FTIR-ATR-Spektroskopie anhand des bakterienassoziierten Proteinanteils der adhärierenden Biofilme
    • Korrelation mit Daten der Oberflächenenergie und -ladung der Substratoberfläche