Sensor-Actor Systems to Combat Oral Peri-Implant Infections
Final Report Abstract
Biofilm-assoziierte periimplantäre Infektionen weisen eine hohe Prävalenz auf. Verursacht werden sie durch Bakterien, die sich auf Implantatoberflächen auflagern und sich dort in komplexen Biofilmgemeinschaften organisieren, in denen sie vor Therapeutika und dem Immunsystem geschützt sind. Das Ziel der Forschung muss es sein, neue Strategien zu entwickeln, um eine wirkungsvolle Bekämpfung dieser Infektionen direkt am Ort ihrer Entstehung zu ermöglichen. Das Ziel des vorliegenden Projektes war somit die Erforschung grundlegender Mechanismen von Sensor-Aktor-Systemen für eine frühzeitige Detektion und Bekämpfung periimplantärer Infektionen. Hierfür sollten azelluläre und zelluläre Systeme erforscht werden, bestehend aus einem Sensor zur Erkennung einer bakteriell induzierten Entzündung und einem Aktor zur gezielten Freisetzung eines Wirkstoffes. Darüber hinaus sollten Modelle entwickelt werden, um die Funktionalität der resultierenden Systeme in vitro und in vivo nachweisen zu können. Im Rahmen dieses Vorhabens konnten verschiedene Implantat-gebundene azelluläre Sensor-Aktor-Systeme entwickelt und ihre Biokompatibilität und Anwendbarkeit als Beschichtungssysteme evaluiert werden. Durch die gezielte Verwendung spezifischer Enzyme ließen sich sowohl enzymlabile polymere Liposomen als auch Hydrogelnanopartikel mit enzymatisch spaltbaren Linkern oder kovalenter Anbindung von Wirkstoffen abbauen und somit grundsätzlich als geeignete Strategien etablieren. Darüber hinaus konnten zelluläre Sensor-Aktor-Systeme durch Crispr/Cas9 vermittelte gezielte genetische Veränderungen aufgebaut werden. Basierend auf einer funktionellen Umleitung eines physiologischen Inflammationssignals (IFN-β) auf eine synthetische Expressionskassette konnten Visualisierungsmoleküle infektionsspezifisch, d.h. in Echtzeit und ohne äußeren Trigger, aktiviert werden und den Infektionsverlauf somit authentisch wiedergeben. Darüber hinaus gelang die Umleitung der Signale auf biologische Modellaktoren. Die Sensitivität der Systeme konnte durch zusätzliche Implementation eines positiven Feedback-Loops erhöht werden; gleichzeitig wurde dadurch ein Toggle-Switch kreiert, der eine bimodale, hysteretische Aktorexpression ermöglicht und der zusätzlich über einen externen Trigger kontrolliert und abgeschaltet werden kann. Diese Systeme wurden eingesetzt, um Infektionsereignisse in vitro und im Mausmodell zu verfolgen. Für die zukünftige Weiterentwicklung dieser zellulären und azellulären Sensor-Aktor-Systeme wurde darüber hinaus ein innovatives Kokultur-Modell entwickelt, mit dem es erstmalig möglich ist, die physiologische Situation am oralen Implantat mit allen drei Hauptkomponenten (humane Zellen, Implantatmaterial und bakteriellem Biofilm) in vitro zu simulieren. Es konnte demonstriert werden, dass neue Beschichtungssysteme erfolgreich in das Modell eingebracht und hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Wirt-Biofilm-Interaktion untersucht werden können. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass mit Hilfe der hier entwickelten ersten Stimulusresponsiven, chemischen und zellulären Release-Systeme grundlegende Erkenntnisse zur autoregulativen Infektionsbekämpfung erworben werden konnten. Diese sollen in zukünftigen Projekten unter Nutzung des innovativen Kokultur-Modells sowie durch Kopplung der Systeme weiterentwickelt werden.
Publications
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