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Entwicklung eines Verfahrens zur qualitativen und quantitativen Analyse von Biofilmen mittels automatisierter Fluoreszenzmikroskopie

Development of a method for the qualitative and quantitative analysis of biofilms using automated fluorescence microscopy

  • Biofilme sind Zusammenschlüsse von Mikroorganismen, die eingebettet in einer selbstproduzierten Matrix vor äußeren Umwelteinflüssen geschützt sind und eine erhöhte Toleranz gegenüber Antiinfektiva aufweisen. Im Bereich der Humanmedizin werden 65-80 % aller bakteriellen Infektionen mit Biofilmen assoziiert. Problematisch ist die fehlende Biofilmanalytik in der Routinediagnostik, die auch von der Europäischen Gesellschaft für klinische Mikrobiologie und Infektionskrankheiten gefordert wird. So fehlen standardisierte Methoden für den mikroskopischen Nachweis einer Biofilm-assoziierten Infektion, die in situ Quantifizierung von Bakterien auf Implantaten und die Prüfung der Antibiotikaempfindlichkeit von Bakterien in Biofilmen. Mit den in dieser Arbeit etablierten Methoden wurden diese verschiedenen Schwerpunkte im Bereich der bakteriellen Biofilmanalytik beleuchtet. Basierend auf der an der Hochschule Lausitz entwickelten VideoScan-Technologie wurden fluoreszenzmikroskopische Methoden für die Untersuchung von Biofilmen entwickelt. EsBiofilme sind Zusammenschlüsse von Mikroorganismen, die eingebettet in einer selbstproduzierten Matrix vor äußeren Umwelteinflüssen geschützt sind und eine erhöhte Toleranz gegenüber Antiinfektiva aufweisen. Im Bereich der Humanmedizin werden 65-80 % aller bakteriellen Infektionen mit Biofilmen assoziiert. Problematisch ist die fehlende Biofilmanalytik in der Routinediagnostik, die auch von der Europäischen Gesellschaft für klinische Mikrobiologie und Infektionskrankheiten gefordert wird. So fehlen standardisierte Methoden für den mikroskopischen Nachweis einer Biofilm-assoziierten Infektion, die in situ Quantifizierung von Bakterien auf Implantaten und die Prüfung der Antibiotikaempfindlichkeit von Bakterien in Biofilmen. Mit den in dieser Arbeit etablierten Methoden wurden diese verschiedenen Schwerpunkte im Bereich der bakteriellen Biofilmanalytik beleuchtet. Basierend auf der an der Hochschule Lausitz entwickelten VideoScan-Technologie wurden fluoreszenzmikroskopische Methoden für die Untersuchung von Biofilmen entwickelt. Es wurde ein Modul geschaffen, welches qualitative und quantitative Aussagen über die allgemeine Fähigkeit von Bakterien zur Biofilmbildung treffen kann. Mit Anwendung dieser Methode konnte der Zusammenhang zwischen den genotypischen und phänotypischen Merkmalen von 187 klinischen E. coli-Isolaten und deren Biofilmbildung untersucht werden. Ein weiteres Modul erlaubte die Untersuchung der mit E. coli besiedelten Materialien Glas, Stahl und Titan. Insgesamt 44 Materialstücke (Coupons) wurden auf die Anzahl adhärenter Bakterien, die besiedelte Fläche und die maximal gebildete Biofilmdicke untersucht. Das dritte und letzte Modul fand Anwendung in der Untersuchung der Antibiotikaempfindlichkeit von S. aureus während der Biofilmbildung und unterschiedlich reifer S. aureus-Biofilme. Innerhalb dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die etablierte Methode eine umfangreiche Analyse von Biofilmen für verschiedene Fragestellungen ermöglicht.show moreshow less
  • Biofilms are associations of microorganisms embedded in a self-produced matrix that are protected from external environmental influences and exhibit increased tolerance to anti-infectives. In human medicine, 65-80% of all bacterial infections are associated with biofilms. The lack of biofilm analysis in routine diagnostics, which is also demanded by the European Society for Clinical Microbiology and Infectious Diseases, is problematic. There is a lack of standardized methods for microscopic detection of biofilm-associated infection, in situ quantification of bacteria on implants, and testing of antibiotic susceptibility of bacteria in biofilms. With the methods established in this work, these different focus areas in the field of bacterial biofilm analysis were regarded. Based on the VideoScan technology developed at the Lausitz University of Applied Sciences, fluorescence microscopic methods for the investigation of biofilms were developed. A module for qualitative and quantitative analysis of the general ability of bacteria to formBiofilms are associations of microorganisms embedded in a self-produced matrix that are protected from external environmental influences and exhibit increased tolerance to anti-infectives. In human medicine, 65-80% of all bacterial infections are associated with biofilms. The lack of biofilm analysis in routine diagnostics, which is also demanded by the European Society for Clinical Microbiology and Infectious Diseases, is problematic. There is a lack of standardized methods for microscopic detection of biofilm-associated infection, in situ quantification of bacteria on implants, and testing of antibiotic susceptibility of bacteria in biofilms. With the methods established in this work, these different focus areas in the field of bacterial biofilm analysis were regarded. Based on the VideoScan technology developed at the Lausitz University of Applied Sciences, fluorescence microscopic methods for the investigation of biofilms were developed. A module for qualitative and quantitative analysis of the general ability of bacteria to form biofilms was developed. Using this method, the relationship between the genotypic and phenotypic characteristics of 187 clinical E. coli isolates and their biofilm formation could be studied. Another module allowed the study of E. coli colonized materials glass, steel and titanium. A total of 44 pieces of material (coupons) were examined for the number of adherent bacteria, the colonized area and the maximum biofilm thickness. The third and final module was used to investigate the antibiotic sensitivity of S. aureus during biofilm formation and differentially mature S. aureus biofilms. Within this work it could be shown that the established method allows a comprehensive analysis of biofilms for different questions.show moreshow less

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Metadaten
Author: Juliane BeckerORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-63787
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6378
Referee / Advisor:Prof. Dr. Peter Schierack, Prof. Dr. Sebastian Günther
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2023
Date of final exam:2023/03/27
Release Date:2023/05/15
Tag:Biofilm; Biofilmbildung; Fluoreszenzmikroskopie; Video-Scan
Biofilm formation; Fluorescence microscopy
GND Keyword:Biofilm; Fluoreszenzmikroskopie; Bildgebendes Verfahren
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Multiparameterdiagnostik
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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