Micro-Nano-Bio Systems for on-line monitoring of in vitro biofilm responses

El treball presentat en aquesta tesi doctoral te com objectiu principal la contribució en el camp de la microbiologia per entendre el biofilms i el possible control de desenvolupament mitjançant l’ús de mètodes i enfoc multidisciplinari. Els biofilms estan definits com comunitats de microorganismes que creixen envoltats en una matriu exopolisacárida i s’adhereixen a una superfície inert o teixit viu. La formació dels biofilms bacterians tenen un gran interès en microbiologia clínica degut al desenvolupament d’infeccions que son causades pel contacte directe o per colonització de dispositius mèdics implantats i pròtesis. Actualment es consideren causa de més del 60 % de les infeccions bacterianes. El problema dels biofilms bacterians a nivell clínic es que mostren millor resistència a antibiòtics arribant inclús a ser de 500 a 5000 cops més resistents a agents antimicrobians comparant amb la mateixa bactèria planctònica (bactèria en suspensió). Hi ha hagut moltes temptatives d’adaptar mètodes a laboratoris clínics on es reprodueixen les condicions pel desenvolupament de biofilms, però encara no s’ha arribat a obtenir òptims protocols estàndard per a aquest propòsit de monitoritzar la formació i toxicitat a temps real. Ha crescut l’interès en disseny, desenvolupament i utilització de dispositius de microfluídica que poden emular els fenòmens biològics que ocorren amb diferents geometries, dinàmica de fluids i restriccions de transport de biomassa en microambients fisiològics. La recerca descrita en aquesta tesis s’ha dut a terme amb diferents mètodes “label-free” basats en la variació acústica y/o propietats elèctriques per a la monitorització de biofilms. El treball presentat en la monografia descriu un dispositiu “custom-made” per a la utilització d’Espectroscòpia de impedància electroquímica com a eina útil per a l’obtenció d’informació d’adherència i formació de biofilms. El fet d’afegir nanopartícules com a segon biosensor permet la correlació de biofilm amb la seva toxicitat a temps real per a la detecció del punt òptim de tractament de biofilms. Finalment el disseny d’aquesta tecnologia s’utilitza per l’assaig de la resposta de biofilms a antibiòtics com a model in vitro d’infeccions causades per biofilms.El trabajo presentado en esta tesis doctoral tiene como principal objetivo la contribución en el campo de la microbiología para entender los biofilms y el posible control de desarrollo mediante el uso de métodos y enfoque multidisciplinar. Los biofilms están definidos como comunidades de microorganismos que crecen embebidos en una matriz exopolisacárida y se adhieren a una superficie inerte o tejido vivo. La formación de los biofilms bacterianos tiene un gran interés en microbiología clínica debido al desarrollo de infecciones que son causadas por contacto directo o por colonización de dispositivos médicos implantados y prótesis. Actualmente se consideran la causa de más del 60 % de las infecciones bacterianas. El problema de los biofilms bacterianos a nivel clínico es que muestran mejor resistencia a antibióticos llegando incluso a ser de 500 a 5000 veces más resistentes a agentes antimicrobianos comparado a la misma bacteria planctónica (bacteria en suspensión). Ha habido muchas tentativas de adaptar métodos a laboratorios clínicos donde se reproducen las condiciones para el desarrollo de biofilms, pero aún no se ha llegado a obtener óptimos protocolos estándar para este propósito de monitorizar la formación y toxicidad en tiempo real. Ha crecido el interés en diseño, desarrollo y utilización de dispositivos de microfluídica que puedan emular los fenómenos biológicos que ocurren con diferentes geometrías, dinámica de fluidos y restricciones de transporte de biomasa en microambientes fisiológicos. La investigación descrita en esta tesis se lleva a cabo con diferentes métodos “label-free” basados en variación acústica y/o propiedades eléctricas para la monitorización de biofilms. El trabajo presentado en esta monografía describe un dispositivo “custom-made” para la utilización de Espectroscopia de impedancia electroquímica como herramienta útil para obtener información de adherencia y formación de biofilms. El hecho de añadir nanopartículas como segundo biosensor permite la correlación de biofilm con su toxicidad en tiempo real para la detección del punto óptimo del tratamiento de biofilms. Finalmente el diseño de esta tecnología es usada para el ensayo de la respuesta de biofilms a antibióticos como modelo in vitro de infecciones causadas por biofilms.The work presented in this thesis has the main aim to contribute in the field of clinical microbiology to understand the biofilms and the possible of development through the use of methods with multidisciplinary approach. Biofilms are defined as communities of microorganisms that grow embedded in a matrix of exopolysaccharides and adhering to an inert surface or living tissue. The formation of bacterial biofilms has an interest in clinical microbiology with the development of infections that usually arise from either direct contact or the colonization of implanted medical devices and prostheses. Currently they are considered the cause of over 60% of bacterial infections. The problem of bacterial biofilms at clinical level is showing great resistance to antibiotics, so that the biofilm bacteria are 500 to 5000 times more resistant to antimicrobial agents that the same bacteria grown in planktonic cultures (bacteria in suspension). There have been attempts to adapt methods to clinical laboratories where they reproduce the conditions of biofilms, but have not yet adopted an optimal standard protocol for this purpose to follow-up the formation and toxicity in real-time. There has been a growing interest in design, development and utilization of microfluidic devices that can emulate biological phenomena that occur in different geometries, fluid dynamics and mass transport restrictions in physiological microenvironments. The research described in this thesis deals with different label-free methods based on variation of acoustic and electric properties for biofilm monitoring. The work presented in this monograph describe a custom-made device for using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) as useful tool to obtain information of adherence and formation of biofilms. The addition of nanoparticles as toxicity biomarker allows the correlation of biofilm formation with its toxicity in real-time for detention of the optimal point for biofilm treatment. Finally the design of this technology is used for testing the biofilm response to antibiotic as in vitro model of biofilm-related infection