Bruchmann, J. / Sachsenheimer, K. / Trunkl, E. / Rapp, B. / Schwartz, T. (2014)

KIT

Die Kontrolle und Überwachung der Biofilmentwicklung ist nach wie vor eine große und wichtige Herausforderung. Bereits entwickelte Methoden in der Biofilmforschung sind meist destruktive Endpunkt-Analysen. Aus diesem Grund haben wir ein neues Sensorsystem zur Charakterisierung der Echtzeit-Biofilmentwicklung in einem mikrofluidischen Durchflusssystem entwickelt, das sich auf zwei Parameter stützt: adhärente Biomasse und Biofilmaktivität.

Dieser neu entwickelte mikrofluidische Biosensor basiert auf der elektrischen Impedanzspektroskopie und parallel dazu auf Messungen der Amperometrie, die beide eine Echtzeit Kontrolle der Biofilmbildung ermöglichen. Biofilmbiomasse und –aktivität werden dadurch in einer nicht-destruktiven Weise aufgezeichnet. Dabei korreliert eine ansteigende Impedanz mit einer Zunahme an Biomasse über der Messelektrode und eine Zunahme der amperometrischen Signale mit einer gesteigerten respiratorischen Aktivität im Biofilm. Überprüft wurden diese Messungen mit der Fluorenszenzmikroskopie und der Messung von exo-enzymatischen Aktivitäten.

Durch die Integration von Referenz-Kanälen ist es gelungen, exogene Oszillationen zu minimieren. Durch diese mikrofluidische Konstruktion des Biosensors ist es möglich, Paralleluntersuchungen mit unterschiedlichen Bakterien oder Biofilm manipulierenden Agentien durchzuführen. Zurzeit wird mit 48 Durchflusskanälen gearbeitet.

Eine direkt in den Kanälen durchgeführte RNA-Extraktion ermöglicht es sogar, Transkriptionanalyse zu definierten Zeitpunkten der Biofilmentwicklung durchzuführen. Mit Hilfe dieses Biofilmsensors konnten bereits die Biofilmentwicklungen für Gram-positive und Gram-negative Bakterienspezies wie Pseudomonas aeruginosa, Stenotrophomonas maltophilia, Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis, sowie für komplexe Abwasserbiofilme analysiert werden. Dabei wurden auch innerhalb einer Bakterienspezies unterschiedliche Biofilmbildungspotentiale der Isolate beschrieben.

Weiterhin konnte für verschiedene Anti-Biofilm gerichtete Substanzen gezeigt werden, dass ihre Wirkungen entweder auf einem bioziden oder einem destabilisierenden Effekt gegenüber der Biofilm-Matrix (EPS) beruht. Die Destabilisierung des Biofilms führt zu der Abnahme des Impedanzsignals, während Zell-toxische Effekte zu einer Inaktivierung der Biofilmbakterien führt und damit zu einer Abnahme des amperometrischen Signals. Ein Wiederaufwachsen des Biofilms nach einer solchen Behandlung bedeutet, dass ein Teil der Population überlebt hat und somit über die Zeit ein Wiederanstieg beider Signale gesehen wird.

Letztlich ist dieser Sensor ein wertvolles Instrument, um über Echtzeit Biofilmbildung zu detektieren und Biofilm beeinflussende Substanzen in einem mikrofluidischen System zeitnah zu charakterisieren. Es ist geplant den Biosensor in technischen Systemen als Biofilm-Früherkennungs- und –warnsystem zu integrieren.