3D printing for the development of complex in vitro models to investigate nanoantibiotics against bacterial infections

Abstract

3D (Bio)printing is a cutting-edge technology offering precision in developing in vitro models. These models can serve as alternatives to animal experiments, particularly in infection research, where options are limited. By mimicking in vivo conditions, they can improve the predictability of drug efficacy for clinical applications. This thesis explores 3D bioprinting to create innovative approaches in biomedical research. The primary goal was to develop a model of chronically infected lungs. Previous work involved an in vitro model of epithelial lung cells combined with Pseudomonas aeruginosa biofilms, revealing limitations of manual pipetting. 3D bioprinting was identified as a solution to position biofilms accurately on lung cell monolayers. Escherichia coli was chosen for its ease of handling, and a gelatin-alginate bioink was developed to support biofilm growth. The second project applied 3D printing to hair follicle research. Initially aimed at studying hair loss, the model was adapted to investigate bacterial infections like acne inversa. Using 3D printing to create a collagen matrix, hair follicles were sustained in their growth phase, infected with Staphylococcus aureus, and treated with nanoantibiotics. These approaches highlight the potential of 3D bioprinting. They reduce reliance on animal testing and accelerate the development of treatments for chronic infections, representing progress toward effective drug testing and clinical applications.

3D(Bio)printing ist eine innovative Technologie zur Entwicklung präziser in vitro Modelle, die Tierversuche in der Infektionsforschung ersetzen können, wo Alternativen begrenzt sind. Durch die Nachahmung von in vivo Bedingungen verbessert diese Methode die Vorhersagbarkeit der Arzneimittelwirksamkeit. Diese Dissertation untersucht den Einsatz von 3D (Bio)printing für biomedizinische Forschungsansätze und die Entwicklung eines Modells für chronisch infizierte Lungen. Ein Vorläufermodell bestand aus epithelialen Lungenzellen und Pseudomonas aeruginosa Biofilmen und zeigte die Grenzen manueller Pipettierung. 3D Bioprinting erwies sich als geeignet, Biofilme präzise auf Lungenzell-Monolayer zu platzieren. Escherichia coli wurde aufgrund seiner einfachen Handhabung gewählt, und eine Gelatine-Alginat Biotinte wurde entwickelt, um das Biofilmwachstum zu fördern. Das zweite Projekt befasste sich mit der Anwendung des 3D-Drucks auf die Haarfollikelforschung. Ursprünglich zur Untersuchung von Haarausfall entwickelt, wurde das Modell zur Erforschung bakterieller Infektionen wie Acne inversa angepasst. Mithilfe von 3D Druck und einer Kollagenmatrix konnten Haarfollikel in ihrer Wachstumsphase gehalten und mit Staphylococcus aureus infiziert werden. Diese Ansätze zeigen das Potenzial des 3D (Bio)printings: Es reduziert die Abhängigkeit von Tierversuchen und beschleunigt die Entwicklung neuer Behandlungen für chronische Infektionen sowie die Arzneimittelprüfung und klinische Anwendungen.