Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

Institut für Biowissenschaften

Fachgebiet: Mikrobiologie

Betreuer: Prof. Dr. Bernd Kreikemeyer



Thomas Josef Dauben
(e-mail: thomas.andy@gmx.de )

Establishment of a novel in vitro implant infection model - Effects of electrical stimulation on staphylococci using alternating current

Über die letzten Jahrzehnte wurde Elektrostimulation im Hinblick auf Förderung der Wundheilung, Geweberegeneration sowie zur Unterstützung der Knochenregeneration nach Implantation künstlicher Gelenke untersucht. Implantat-assoziierte Infektionen, hauptsächlich verursacht durch Staphylococcus epidermidis und Staphylococcus aureus, behindern jedoch erfolgreiche Behandlung. Intensive Forschung wurde mit repräsentativen Bakterienspezies unter Nutzung von Elektrostimulation betrieben. Bisher wurde jedoch kein experimentelles Setup entwickelt, in dem Elektrostimulation von Bakterien und eukaryoten Zellen gleichzeitig möglich ist. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neues Stimulationssystem entwickelt, um Effekte von Elektrostimulation unter Nutzung von Wechselstrom auf beide genannten Staphylokokken-Spezies zu untersuchen. Bakterien wurden mit unterschiedlichen Parametern stimuliert. Hauptsächlich wurden dabei bakterielles Überleben und Biofilmmasseproduktion untersucht. Dabei konnten signifikante Effekte beobachtet werden, welche über die Zeit jedoch nicht konsistent waren. Weiterhin wurde ein Ko-Kultursystem unter Nutzung von S. epidermidis und MG63 Osteosarkomazellen etabliert, um Effekte von elektrischer Stimulation in einem vereinfachten Implantat-Infektions-Modell zu untersuchen. Hierbei konnte eine höhere Bakterienzahl in Anwesenheit der Zellen unter gleichzeitiger Elektrostimulation gezeigt werden. Das entwickelte System ist im Allgemein zu Weiterführung von Parameterstudien zur Elektrostimulation geeignet. Weiterhin erlaubt das System gleichzeitige Stimulation von Bakterien und eukaryoten Zellen unter gleichen Bedingungen.

Over the last decades, electrical stimulation was investigated to promote wound healing and tissue regeneration as well as to support bone regeneration following implantation of artificial joints. However, prosthetic joint infection caused mainly by Staphylococcus epidermidis and Staphylococcus aureus impede successful treatment. Intensive research was done on representative bacterial species subjected to electrical stimulation. Until now, no experimental setup combined electrical stimulation of bacteria and eukaryotic cells. In this study, a novel stimulation system was developed to investigate effects of electrical stimulation using alternating current on both staphylococcal species. Bacteria were stimulated using different parameter settings and bacterial survival as well as biofilm mass production were mainly investigated. Here, significant effects were observed, though they were not consistent over time. Furthermore, a co-culture setup using S. epidermidis and MG63 osteosarcoma cells was established to investigate effects of electrical stimulation in a simplified implant infection model. Results showed higher bacterial load in presence of cells under electrical stimulation compared to unstimulated samples. In general, the developed system is suitable to conduct further parameter studies as well as to allow simultaneous stimulation of bacteria and eukaryotic cells under similar conditions.