Studying bacterial interactions with their microenvironment in microfluidic adhesion and infection models

Microfluidic technologies have rapidly emerged in the field of microbiology to facilitate our ongoing understanding of microorganisms. Using the high-throughput and miniaturization features in microfluidics, devices with controlled microenvironments can be created for research in the field of healthcare to study bacterial infection. As the antibiotic resistance of bacterial biofilms increases at an alarming rate, researchers are investigating new strategies for the prevention of implant-associated infections. In this thesis, we investigate the use of mechanical stiffness as an important microenvironmental property to regulate adhesion to implant surfaces, using a high-throughput microfluidic adhesion assay. It was found that at low shear stress, there was no statistical significance between Escherichia coli attachment to soft and stiff substrates. However, at higher shear stress, bacterial retention was higher on soft substrates compared to stiff substrates. In addition, protein-coated substrates on soft PDMS samples showed less bacterial retention than the native PDMS control. When developing new therapeutics for infection control, it is important to consider host cell responses. In the second portion of this thesis, we compare co-culture platforms for fundamental studies that can be applied towards drug testing and screening. Overall, fibroblast cells co-cultured with E. coli showed significant cell spread area increase in microfluidic co-culture devices, compared to conventional Transwell® platforms, most likely due to dilution limitations. The increase in cell spread may be attributed to the endotoxin tolerance of the cells, which may play a crucial role in the pathogenesis of infection. With the advancements made in microbial microfluidics, these testing platforms can be used to gain deeper insight into the fundamentals of microbiology and infectious disease.Les technologies microfluidiques sont rapidement apparues dans le domaine de la microbiologie pour faciliter notre compréhension des micro-organismes. En utilisant les aspects de haut débit et de miniaturisation de la microfluidique, des dispositifs avec des microenvironnements contrôlés peuvent être créés pour la recherche dans le domaine des soins de santé afin d'étudier les infections bactériennes. Puisque la résistance bactérienne aux antibiotiques augmente de façon inquiétante, les chercheurs font des études afin de développer de nouvelles stratégies pour la prévention des infections associées aux implants médicaux. Dans cette thèse, nous étudions l'usage de la rigidité mécanique en tant que propriété microenvironnementale pour contrôler l'adhérence bactérienne aux surfaces des implants, en utilisant un appareil d'adhésion microfluidique à haut débit. On a trouvé qu'à faible contrainte de cisaillement, il n'y avait pas de différence statistiquement significative entre la fixation d'Escherichia coli sur les substrats mous et rigides de polydiméthylsiloxane (PDMS). Cependant, à plus forte contrainte de cisaillement, la rétention bactérienne était plus élevée sur les substrats mous par rapport aux substrats rigides. De plus, des échantillons de PDMS souples avec des substrats enduits de protéines biologiques ont présenté moins de rétention bactérienne que le témoin de PDMS natif. Lors du développement de nouveaux agents thérapeutiques pour le contrôle des infections, il est important de prendre en compte les réponses des cellules mammaliennes. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous comparons des plateformes de co-culture pour des études fondamentales qui peuvent être appliquées au dépistage et au tests de drogues. Nous avons trouvé que les fibroblastes co-cultivés avec E. coli ont montré une augmentation significative de l'étalement cellulaire dans les dispositifs de co-culture microfluidiques, par rapport aux plateformes Transwell®, en raison des limites de dilution. L'augmentation de la propagation cellulaire peut être attribuée à la tolérance endotoxine des cellules, qui pourrait jouer un rôle primordial dans la pathogenèse des infections bactériennes. Grâce aux progrès réalisés en microfluidique microbienne, ces plateformes de test peuvent être utilisées pour mieux comprendre les principes fondamentaux de la microbiologie et des maladies infectieuses