Application of QCM-D to simulate oral interfacial interactions of bacteria, antibacterial agent and titanium implant surfaces

Abstract

Bakterien, die an medizinischen Implantaten anhaften, können invasive mikrobielle Infektionen verursachen, z.B. im Bereich von Haut, Lunge oder Blut. In der Zahnheilkunde ist Streptococcus gordonii ein früher oraler Besiedler, der die Bildung von Zahnbiofilmen initiiert und auch an der lebensbedrohlichen infektiösen Endokarditis beteiligt ist. Zur Behandlung von oralen Biofilmen werden häufig antibakterielle Mundspülungen verwendet. Solche initialen Wechselwirkungen zwischen Biomaterialien und Bakterien sowie der Einfluss antibakterieller Behandlungen wurden hier in situ mit der Quarzkristall-Mikrowaage mit Dissipationsüberwachung (QCM-D) eingehend untersucht. Ein mit Speichel beschichteter Titan (Ti) -Biosensor wurde verwendet, um mögliche spezifische Signalmuster zu analysieren, die auf mikrobielle Bindungsmechanismen und bakterizidbedingte Veränderungen der Bakterienfilmsteifigkeit oder Zellleckage hinweisen, die durch ein klinisch relevantes antibakterielles Mittel (ABA), d.h. eine Mundspülung (Chlorhexidin (CHX) und Cetylpyridiniumchlorid (CPC)), verursacht werden. Offensichtlich fehlende Masseneffekte bei der Bildung von mikroskopisch nachgewiesenen dichten und vitalen Bakterienfilmen deuteten auf eine punktuelle, spezifische Bindung von S. gordonii an den mit Speichel beschichteten Biosensor im Vergleich zu einer unspezifischen Haftung an reinem Ti hin. Gleichzeitig mit der ABA-induzierten Abtötung von an der Oberfläche haftenden Bakterien konnte im Gegensatz zum vorherigen Massenverlust eine Zunahme der adsorbierten dissipativen Masse festgestellt werden. Dies legt die akustische Erfassung des Auslaufens von Zellinhalt nahe, der durch das Aufbrechen der bakteriellen Zellwand und die Beschädigung der Membran beim bakteriziden Angriff verursacht wurde. Diese Ergebnisse haben signifikante Auswirkungen auf die Prüfung der bakteriellen Adhäsionsmechanismen und der zellulären Integrität während der Wechselwirkung mit antibakteriellen Mitteln. Zusätzlich wurde in dieser Studie ein QCM-D-Mikroskopie-Aufbau weiterentwickelt, durch den die durch die Adhäsion von S. gordonii induzierte Frequenz und Dissipationsänderung mit den Echtzeit-Fluoreszenzbildern korreliert werden konnte, was die quantitative Interpretation des QCM-D-Bakterienadhäsionssignals ermöglicht hat. Die Anwendung von QCM-D beim Aufbau eines dentalen Grenzflächen-Interaktionsmodells bietet in Zukunft ein sehr hohes Forschungspotenzial.