Gentamisin ve imipenem etkisinde pseudomonas aeruginosa quorum sensing yanıtları ve biyofilm üretimi: In-vivo modelleme

Pseudomonas aeruginosa quorum sensing responses and biofilm production under the influence of gentamicin and imipenem: In vivo modelling

Özet

Pseudomonas aeruginosa ciddi solunum yolu infeksiyonlarından sıklıkla soyutlanan fırsatçı bir patojendir. İnfeksiyonların patogenezinde; biyofilm, elastaz, alkalen proteaz, piyosiyanin, fosfolipaz ve ekzotoksin A gibi çeşitli virülans faktörlerinin üretimini düzenleyen, quorum sensing (çoğunluğu algılama) olarak adlandırılan hücreden hücreye iletişim sistemi sorumlu tutulmaktadır. P.aeruginosa AHL (acylhomoserine lactone) temelli ve birbiri ile ilişkili üç quorum sensing sistemine sahiptir; las, rhl ve kinolon. Bu sistem ile bakteri, bulunduğu ortamda kendi populasyon yoğunluğunu algılayabilmekte ve sinyal molekülleri eşik değere ulaştığında belirli virülans faktörlerinin üretimini düzenleyebilmektedir. Bakterinin in-vitro ve in-vivo davranışlarının karşılaştırılması, bakteri, konak ve antibakteriyeller arasındaki etkileşimin açıklanmasında hayvan modelleri sıklıkla kullanılmaktadır. Çalışmamızda, fenotipik ve genotipik özellikleri bilinen P.aeruginosa PAO1 (Wild type) ve PAO JP2 (?lasI/?rhlI) referans laboratuvar suşları ile sıçanlarda kronik akciğer infeksiyonu modeli oluşturulmuştur. Bu model için suşların emdirildiği agar boncuklar sıçanlara intra-trakeal yol ile uygulanmıştır. On dört günlük infeksiyon sürecinin sonunda sıçanların BAL ve akciğer dokularından soyutlanan suşların gentamisin ve imipenem için MİK değerleri, bu antibiyotiklerin etkisinde quorum sensing yanıtları ve biyofilm üretimlerindeki değişiklikler araştırılmıştır. Quorum sensing yanıtları “mikro AHL”, biyofilm üretimleri “kristal viyole boyama” yöntemi ile belirlenmiştir. Konakçı ile karşılaşma sonrası bu referans laboratuvar suşlarının MİK aralıklarının ve quorum sensing aktivitelerinin değiştiği, genel olarak gentamisin ve imipenemin MİK düzeylerinde biyofilm üretimi gözlenmezken, sub-MİK yoğunluklarında biyofilm üretiminin olduğu belirlenmiştir. Sonuçlarımız, P.aeruginosa suşlarında in-vivo şartlarda, gentamisin ve imipenemin düşük yoğunluklarında biyofilm üretiminin indüklendiğini göstermektedir. Bu çalışma ile P.aeruginosa’ya ait virülans faktörlerinin ve quorum sensing sistemlerinin anlaşılmasında hayvan modellerinin önemi bir kez daha ortaya konmuştur.

Abstract

Pseudomonas aeruginosa is an opportunistic pathogen isolated frequently from serious upper respiratory tract infections. In the pathogenesis of these infections, cell to cell communication system of the bacteria, known as quorum sensing system, is held responsible for regulating production of various virulence factors such as biofilm, elastase, alkaline protease, pyocyanin, phospholipase and exotoxin A. P.aeruginosa possesses AHL (acylhomoserine lactone) mediated and interrelated three quorum sensing sytems; las, rhl and quinolone. P.aeruginosa perceives local density of their population by quorum sensing system and as the concentration of the signalling molecules passes a threshold, bacteria regulate production of certain virulence factors. Experimental animal models are widely used in comparison of in vitro and in vivo behaviours of the bacteria, in displaying interactions between bacteria, host and antimicrobials. In our study, we developed a chronic pulmonary infection model in rats using P.aeruginosa PAO1 (Wild type) and PAO JP2 (?lasI/?rhlI) reference laboratory strains whose phenotypic and genotypic properties are well known. Intratracheal inoculation of rats with bacterial strains embedded in agarose beads was used as the experimental model. Following fourteen days of infectious period, we investigated gentamicin and imipenem MIC values of the strains that were isolated from BAL and pulmonary tissue samples of rats, also quorum sensing responses and changes in the biofilm production of the strains under the influence of these antibiotics, as well. Quorum sensing responses were determined by “micro AHL“ method, biofilm formation by “crystal violet staining” method. We determined that, MIC intervals and quorum sensing activities have changed when the laboratory strains encountered a host, and in general, biofilm formation has been detected at sub-MIC values but not at MIC values of gentamicin and imipenem. Our results indicate that in vivo biofilm formation in P. Aeruginosa strains can be induced at low gentamicin and imipenem concen-trations. With this study, the importance of animal modelling in the experimental studies conducted to understand P.aeruginosa virulence factors and quorum sensing systems is revealed once more.