Clostridioides difficile ist ein sporenbildender, anaerober bakterieller Krankheitserreger, der in der Lage ist, dem menschlichen Magen-Darm-Trakt schwere Schäden zuzufügen, indem er Toxine produziert. C. difficile ist jährlich für fast eine halbe Million Fälle mit ~30.000 Todesfällen verantwortlich (CDC, 2015). Die Behandlung von C. difficile-Infektionen (CDI) verursacht erhebliche Kosten für das bereits angespannte Gesundheitssystem (~4,8 Milliarden US-Dollar)1,2,3. Zu den am stärksten gefährdeten Personen gehören Personen mit Immunsuppression, Antibiotika-Exposition und/oder ältere Menschen, alles Bevölkerungsgruppen, die sowohl in den USA als auch rund um den Globus weiterhin erheblich wachsen 4,5,6,7.
C. difficile hängt stark vom Status der gastrointestinalen Mikrobiota des Wirts ab, und als solche ist eine Antibiotikabehandlung ein wichtiger prädisponierender Faktor für CDI. Die Identifizierung antibiotikaresistenter klinischer Isolate von C. difficile erschwert die Behandlung zusätzlich 8,9,10. Darüber hinaus versagen zwischen 15 % und 30 % der Patienten, die mit Antibiotika gegen CDI behandelt werden, bei der Erstbehandlung 5,11,12,13,14,15,16. Sobald ein Patient eine Rezidivepisode erlebt, steigt die Wahrscheinlichkeit von Rezidivepisoden auf 45%-64% (Rezidiv-Escalator) und geht mit einem erhöhten Risiko für weitere Behandlungsfehler einher16,17. Wichtig ist, dass die meisten Rückfallfälle von CDI durch den ursprünglichen Stamm verursacht werden, der die erste Infektionsepisode im Wirt etablierte 18,19, was auf eine fortgesetzte Besiedlung durch C. difficile auch nach erfolgreicher Behandlung hindeutet. Während in ex vivo- und murinen Modellen gezeigt wurde, dass Sporen im Magen-Darm-Trakt persistieren und zu einem Rückfall führen20, sind C. difficile-Biofilme und ihre Rolle bei Krankheit und Rückfall zu wenig erforscht. Biofilme sind mikrobielle Gemeinschaften, die durch eine selbst produzierte extrazelluläre Matrix geschützt sind, eine Eigenschaft, die sie sehr widerstandsfähig gegen Umwelteinflüsse wie Antibiotikabehandlung und Immunreaktionen macht21. Darüber hinaus ist die Biofilmbildung ein signifikanter Virulenzfaktor 22,23,24,25 und bei bakteriellen Infektionen, wie sie durch Staphylococcus aureus und Pseudomonas aeruginosa verursacht werden, sind Biofilme der Schlüssel für Rezidive und chronische Manifestationen26,27. In jüngster Zeit wurden C. difficile-Biofilme als Reservoir für rezidivierende Infektionen vorgeschlagen 28,29,30 und stellen daher ein hochwertiges Ziel für die Behandlung und/oder Prävention von CDI-Rezidiven dar.
Zu den aktuellen Modellen zur Untersuchung von C. difficile-Biofilmen gehören Kolonie-Biofilmmodelle31,32, Mikrofermentatoren33, Chemostat-Darmmodelle34,35 und Flüssigkultursysteme mit Kolben oder Well-Platten36,37. Alle diese Modelle haben wichtige Informationen über C. difficile-Biofilme in unterschiedlichen Entwicklungsstadien und in unterschiedlichen Umgebungen geliefert. Einige dieser Modelle (z. B. Mikrofermentoren, Chemostat-Darmmodelle, Kolonie-Biofilme) sind jedoch nicht für die Wirkstoffforschung geeignet. Bisher konzentrierten sich die meisten Studien zur Wirkstoffforschung auf die planktonische Lebensweise von C. difficile 38,39,40,41. Daher zielt das hier beschriebene Protokoll darauf ab, das bestehende 96-Well-Platten-Biofilmmodell anzupassen, zu standardisieren und zu validieren, mit dem Ziel, eine Plattform für das Screening von Bibliotheken zu entwickeln, um repositionierbare Moleküle zu identifizieren, die in der Lage sind, etablierte (24 h alte) C. difficile-Biofilme abzutöten. Die Validierung des Protokolls erfolgte durch den Vergleich der Biofilmbildungsfähigkeiten zwischen einem laborangepassten Stamm (630 Δerm) und einem epidemischen klinischen Isolat (UK1-Stamm, der während eines Ausbruchs im Jahr 2006 im Stoke-Mandeville Hospital im Vereinigten Königreich isoliert wurde42). Die Biofilmbildung wurde mit dem klassischen Kristallviolett-Assay zur Messung der Biomasse und einem Stoffwechsel-Assay zur Messung der Lebensfähigkeit der Biofilme quantifiziert. Es wurden signifikante Unterschiede in der Fähigkeit zur Biofilmbildung zwischen den Stämmen identifiziert, was auf mögliche klinische Implikationen hindeutet. Darüber hinaus wurde der Assay zur Bestimmung von Antibiotika-Empfindlichkeitsprofilen etablierter Biofilme verwendet. Als Wirksamkeitsnachweis wurde schließlich die Global Health Priority Box von Medicines for Malaria Venture (MMV), einer gemeinnützigen Organisation, die sich auf die Entdeckung neuer Therapien gegen vernachlässigte Krankheiten wie Malaria konzentriert, untersucht, um Verbindungen zu identifizieren, die gegen etablierte Biofilme von C. difficile wirksam sind. Das hier beschriebene Protokoll adaptiert und validiert einen klassischen Biofilm-Assay für die Verwendung als Wirkstoff-Screening-Plattform, die auf reife Biofilme abzielt.