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Tutte le sostanze chimiche pericolose (ad esempio, glutaraldeide, tampone per cacodilato di sodio, esemildisilazano [HMDS] ed etanolo) sono state gestite in conformità con le politiche istituzionali di Salute e Sicurezza Ambientale (EHS). La preparazione e l'uso di reagenti volatili/tossici venivano effettuati in una cappa chimica certificata con attrezzature di protezione personale appropriate (camice da laboratorio, protezione per gli occhi e guanti resistenti chimicamente), e i solventi infiammabili venivano tenuti lontani dalle fonti di accensione. I rifiuti chimici venivano segregati e raccolti in contenitori correttamente etichettati (inclusi rifiuti dedicati contenenti arsenico per il cacodilatato e i rifiuti solventi per HMDS/etanolo) per lo smaltimento attraverso il programma istituzionale dei rifiuti pericolosi. I materiali biopericolosi (colture batteriche, piastre contaminate e usa e getta) sono stati decontaminati secondo le procedure di biosicurezza (ad esempio, autoclaving o disinfettanti approvati) prima dello smaltimento, e qualsiasi sterilizzazione con ossido di etilene è stata effettuata secondo i protocolli certificati della struttura e le pratiche di aerazione richieste.
Modelli stampati in 3D
I modelli sono stati progettati utilizzando software di progettazione assistita da computer gratuito e stampati con una stampante 3D dotata di tecnologia di modellazione a deposizione fusa, con filamenti di acido polilattico (PLA) e glicole polietilene tereftalato (PETG) (Tabella dei materiali) del diametro. I parametri di stampa utilizzati per la fabbricazione dei campioni erano i seguenti: velocità di movimento dell'ugello (0,4 mm) di 1800 mm/min; velocità del primo strato di 300 mm/min; temperatura dell'ugello di estrusione di 220 °C (PLA) e 255 °C (PETG); temperatura del letto di 60 °C; altezza dello strato di 0,08 mm; larghezza di estrusione di 0,48 mm e; densità di riempimento del 100% per tutti i campioni. Nessuno dei campioni richiedeva l'uso di strutture di supporto. I modelli 3D consistevano in dischi, piastre a fondo piatto, il dispositivo biofilm Calgary (CBD) e il dispositivo Robbins modificato (MRD). I dischi erano progettati come un cilindro con un diametro di 6 mm x 6 mm di altezza.
Per il CBD è stato creato un modello (Tabella dei materiali). Il CBD era composto da due parti: una piastra base, una piastra microtitolata standard a 96 pozzi (formato ANSI/SLAS) e un coperchio (piastra a perno): un coperchio in polimero (PLA o PETG) con 96 perni cilindrici di 2 mm (diametro) e 5 mm (altezza). La MRD è stata sviluppata con perni da 4 mm (diametro e altezza) fissati in un modello a filettatura a vite (Tabella dei materiali). Dopo aver completato il processo di stampa, i modelli venivano accuratamente rimossi dalla piastra di costruzione, ispezionati visivamente per eventuali deformazioni e successivamente sterilizzati con ossido di etilene.
Modello a disco del biofilm statico
Questo metodo è stato utilizzato per indurre la formazione di biofilm su PLA utilizzando i dischi cilindrici23 da 6 mm × 6 mm descritti in precedenza (Figura 1).

Figura 1: Dischi PLA e PETG e una piastra a 24 pozzi per la formazione di biofilm sui modelli di questi dischi. (A) Dischi rappresentativi in PLA e PETG stampati in 3D prima dell'inoculazione batterica e della formazione di biofilm. (B) Dischi PLA e PETG posizionati in una piastra a 24 pozzi durante l'induzione del biofilm in condizioni di coltura in vitro . Abbreviazioni; PLA = acido polilattico; PETG = polietilene tereftalato glicole modificato. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
S. aureus veniva conservato a −80 °C in un brodo di soia triptico (TSB) integrato con glicerolo al 15% e, prima di ogni esperimento, veniva coltivato su agar di sangue e incubato per 24 ore a 37 °C. Una colonia isolata è stata risospensa in 10 mL di TSB integrato con 50 mM di glucosio, aggiunta a un tubo conico da 50 mL e incubata per 24 ore a 37 °C in uno shaker orbitale a 120 giri al minuto. La coltura risultante fu centrifugata per 5 minuti a 200 x g, e il soprannatante fu scartato. Il pellet è stato lavato tre volte con 10 mL di NaCl sterile allo 0,9%. Nell'ultimo passaggio di lavaggio, il pellet è stato risospeso in 10 mL di TSB fresco per ottenere una sospensione batterica con una torbidità equivalente allo standard McFarland di 0,5 (circa 1,5 × 108 CFU/mL), come determinato dalla nefelometria. La sospensione è stata poi diluita 1:10 in 10 mL di TSB in un tubo conico da 15 mL per ottenere una concentrazione batterica finale di10,7 CFU/mL. Per gli esperimenti con i dischi, sono stati aggiunti 2 mL della precedente sospensione batterica a ciascun pozzetto di piastre sterili a 24 pozzetti per coprire ciascun gruppo di dischi (PLA e PETG) per 2 ore, consentendo l'adesione cellulare. I dischi sono stati poi trasferiti asetticamente con pinzette sterili su una nuova piastra sterile a 24 pozzi contenente 2 mL di NaCl allo 0,9% per rimuovere le cellule planctoniche. Ai pozzi venivano aggiunti nuovi 10 mL di TSB e le lastre venivano incubate a 37 °C per 24 ore. Durante questo passaggio, le cellule aderenti alle superfici del disco formavano un biofilm. Dopo l'incubazione, il mezzo di coltura è stato aspirato e i dischi sono stati lavati con 2 mL di NaCl allo 0,9% per rimuovere il mezzo residuo e le cellule non aderenti. Una piastra a 24 pozzi veniva preparata con 1 mL di soluzione di vancomicina a diluizioni seriali (2–4.096 mg/L), e i dischi venivano immersi per 24 ore. È stato incluso un gruppo di controllo senza vancomicina (NaCl 0,9%). Dopo 24 ore, i dischi venivano lavati con 2 mL di NaCl 0,9%.
Per quantificare i batteri aderiti ai dischi, ogni disco è stato trasferito tramite pinzette sterili in un microtubo contenente 1 mL di NaCl sterile allo 0,9% e sonicato in un bagno ultrasonico per 15 minuti a 40 kHz e 37 °C per staccare le cellule aderite. I microtubi sono stati vortizzati per 60 secondi per garantire la completa disaggregazione dei cluster cellulari. Aliquote di 100 μL del campione non diluito (10°) e diluizioni di 10⁻2 e 10⁻4 in NaCl sterile allo 0,9% sono state impiattate sulla TSA e incubate per 24 ore a 37 °C. La crescita batterica veniva quantificata contando la CFU su una piastra ed espressa come CFU/mL.
Piastre a fondo piatto a 24 pozzi per una concentrazione minima di eradicazione del biofilm
Per gli esperimenti su piastre a 24 pozzi, sono stati aggiunti 3 mL di sospensione batterica (preparata come descritto sopra) per 2 ore per consentire un'adeguata adesione cellulare. Successivamente, la sospensione batterica è stata aspirata e sono stati aggiunti 3 mL di NaCl sterile allo 0,9% per rimuovere le cellule planctoniche. Sono stati poi aggiunti 3 mL freschi di TSB e le piastre sono state incubate a 37 °C per 24 ore. Durante questo passaggio, le cellule aderenti alle superfici dei pozzi formavano un biofilm. Dopo l'incubazione, il TSB è stato aspirato e i pozzi sono stati lavati con 3 mL di NaCl allo 0,9% per rimuovere il mezzo residuo e le cellule non aderenti. A ogni pozzo venivano aggiunti 3 mL di soluzione di vancomicina, a diluizioni seriali (2–4.096 mg/L). È stato incluso un gruppo di controllo senza vancomicina (NaCl 0,9%).
Dopo 24 ore, la soluzione veniva rimossa e ogni pozzo veniva lavato delicatamente due volte con 3 mL di NaCl allo 0,9%. Tre millilitri di NaCl allo 0,9% sono stati aggiunti a ciascun pozzo, la piastra è stata tappata e sigillata con parafilm, e poi sonicata in un bagno ultrasonico per 15 minuti a 40 kHz e 37 °C per staccare il biofilm attaccato. Aliquote di 100 μL sono state raccolte dai pozzi, e il campione non diluito (10°) e le diluizioni 10⁻2 e 10⁻4 preparate in NaCl sterile allo 0,9% sono state impiattate su TSA e incubate per 24 ore a 37 °C. La crescita batterica è stata poi quantificata contando CFU/mL. Tutti gli esperimenti sono stati condotti in triplicato. La concentrazione minima di eradicazione del biofilm (MBEC) è stata definita come una riduzione di almeno 3 log10 rispetto al gruppo di controllo (Figura 2).

Figura 2: Lastre a 24 pozzi stampate. (A)Lastre a 24 pozzi stampate con PLA. (B)Lastre a 24 pozzi stampate con PETG. Abbreviazioni; PLA = acido polilattico; PETG = Polietilene tereftalato glicole. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Il dispositivo biofilm di Calgary
Il CBD è composto da una piastra microtitolata da 96 pozzi e un coperchio con 96 perni, ciascuno progettato per adattarsi con precisione a un pozzo quando il coperchio viene posizionato sulla piastra del piatto. Per indurre la formazione di biofilm, ogni pozzetto di una piastra sterile a 96 pozzi veniva riempito con 200 μL della sospensione batterica e venivano poi posizionati coperchi sterili sulla piastra dei pioli. Le lastre assemblate sono state incubate a 37 °C per 24 ore in condizioni statiche per consentire lo sviluppo del biofilm sui pioli. Dopo l'incubazione, i coperchi dei peg sono stati delicatamente risciacquati in una piastra a 96 pozzi contenente 200 μL di 0,9% di NaCl per rimuovere le cellule planctoniche. La piastra con i perni fu immersa in un'altra lastra da 96 pozzi contenente vancomicina a concentrazioni progressive (2–4.096 mg/L) e incubata a 37 °C per 24 ore in condizioni statiche.
La lastra con i perni veniva risciacquata in una piastra a 96 pozzi contenente 200 μL di NaCl allo 0,9%, e i perni venivano accuratamente stampati in una piastra TSA da 15 cm e incubati a 37 °C per 24 ore. È stata osservata una crescita batterica e MBEC è stata definita come la concentrazione più bassa in cui non si è verificata alcuna crescita. Tutti gli esperimenti sono stati condotti in triplicata (Figura 3).

Figura 3: Dispositivo Calgary e lastre a fondo piatto a 96 pozzi stampate con PLA e PETG. (A) Dispositivo Calgary stampato con PLA. (B)Lastre a fondo piatto a 96 pozzi stampate con PLA. (C) Dispositivo Calgary stampato con PETG. (D) Piastre a fondo piatto a 96 pozzi stampate con PETG. Abbreviazioni; PLA = acido polilattico; PETG = glicole polietilenico tereftalato. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Un sistema dinamico in condizioni di flusso continuo
Ogni MRD contiene cinque pioli individuali fissati in un modello a filettatura a vite e disposti linearmente lungo un canale con sezione rettangolare. Il sistema dinamico consisteva in una fiaschetta contenente 1 L di soluzione con l'antibiotico da testare collegato a una pompa peristaltica tramite un tubo in silicone collegato all'MRD. L'assemblaggio avveniva in un armadio di flusso d'aria laminare per prevenire la contaminazione. La portata media è stata mantenuta a 1 mL/min e circola nel sistema per 24 ore. Il fluido che attraversa il MRD viene scartato in un'altra fiaschetta di vetro (senza ricircolazione).
I biofilm di S. aureus sono stati indotti sui pioli di un MRD, facendo cadere i pioli su piastre a 24 pozzi con TSB da 3 mL a una concentrazione di 107 CFU/mL. I pioli sono stati delicatamente risciacquati con immersione in una piastra a 24 pozzi riempita con 3 mL di soluzione di NaCl allo 0,9%. I perni venivano accuratamente avvitati nel MRD (n = 5). La soluzione di vancomicina (40 mg/L) diluita allo 0,9% di NaCl è stata infusa tramite il MDR utilizzando la pompa come descritto sopra per 24 ore. È stato incluso un gruppo di controllo senza antibiotici (0,9% NaCl). Questa concentrazione è stata scelta in base alla concentrazione sierica ottenuta durante dosi elevate di vancomicina endovenosa, come descrittoin precedenza 24. I perni venivano rimossi asetticamente dal MRD usando pinzette sterili, inseriti in microtubi contenenti 1 mL di NaCl sterile allo 0,9% dopo il lavaggio con lo 0,9% di NaCl, e sonicati in un bagno ultrasonico per 15 minuti a 40 kHz e 37 °C per garantire il completo distacco del biofilm. I microtubi furono vortizzati per 60 secondi e la procedura fu ripetuta tre volte per disturbare gli aggregati residui di biofilm. Aliquote di 100 μL sono state impiattate sulla TSA e le lastre sono state incubate per 24 ore a 37 °C. La crescita batterica è stata quantificata ed espressa come CFU/mL (Figura 4).

Figura 4: Dispositivo Robbins modificato con PETG e PLA e una foto del sistema dinamico. (A) dispositivo Robbins modificato stampato con PETG o PLA. (B) Foto del sistema dinamico. Abbreviazioni; PLA = acido polilattico; PETG = glicole polietilenico tereftalato. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Microscopia elettronica a scansione
Per visualizzare la morfologia e la struttura dei biofilm, è stata eseguita una microscopia elettronica a scansione (SEM) sui dischi. Il biofilm veniva indotto sui dischi come descritto nei protocolli. I dischi sono stati accuratamente rimossi dalla piastra con pinzette sterili e fissati con una soluzione (0,68 g di saccarosio, 0,42 g di cacodilato di sodio, 0,6 mL al 30% di glutaraldeide), con 19,4 mL di acqua deionizzata, per 45 minuti. Successivamente, i campioni sono stati trasferiti in una soluzione tampone (0,68 g di saccarosio e 0,42 g di cacodilato di sodio) per 10 minuti. I campioni sono stati poi disidratati in una serie di etanolo graduato (35%, 50%, 70% e 100%) per 10 minuti ciascuno. Successivamente, i campioni sono stati trasferiti in un'altra piastra di Petri e coperti con esametil disilazano al 100% per 10 minuti. Infine, i dischi furono rivestiti a sputter d'oro tramite una pompa rotante e montati su un moncone metallico per l'osservazione sotto diversi ingrandimenti su un microscopio elettronico a scansione (Figura 5).

Figura 5: Microscopia elettronica a scansione di modelli stampati in 3D con PLA e PETG con e senza induzione di biofilm. (A) Fotografia di microscopia elettronica a scansione di PLA senza biofilm. (B) Fotografia microscopica elettronica a scansione del PETG senza biofilm. (C) Fotografia microscopica elettronica a scansione di batteri che formano biofilm su dischi PLA. (D) Fotografia microscopica elettronica a scansione di batteri biofilmatori su dischi PETG. C e D mostrano caratteristiche tipiche dei biofilm: organizzazione batterica in una struttura 3D, aderenza alle superfici e presenza di una matrice extracellulare. La barra bianca rappresenta 10 μm. Abbreviazioni; PLA = acido polilattico; PETG = Glicole di Polietilene Tereftalato. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Analisi statistica
Alcune analisi erano descrittive. Per i dati quantitativi, la dimensione del campione giustifica l'uso della mediana con l'intervallo interquartile, con il test di Mann-Whitney per il confronto statistico. Un p-valore < 0,05 è stato considerato statisticamente significativo.