Shockwave-enhanced antibiotic treatment against bacterial biofilms on tubular structures = 관형 구조 내면의 세균성 바이오필름에 대한 충격파 보조 항생제 치료 연구

국문 초록 (Abstract)

바이오필름(Biofilm)은 세포외 고분자 물질(Extracellular Polymeric Substances; EPS)로 구성된 보호막 내에 세균을 포함한 미생물이 집락을 이루는 구조로, 내부 세균을 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 한다. EPS는 항생제의 투과를 저해하고 살균 물질의 침투를 차단함으로써, 세균의 생존을 도와 감염의 만성화를 유도한다. 특히 카테터와 같은 관형 의료기기 내면에 형성된 바이오필름은 제거가 어렵고, 심각한 이차 감염의 원인이 된다. 이 중 녹농균 (Pseudomonas aeruginosa) 바이오필름은 요로 감염, 위장관 감염 및 혈류 감염 등 다양한 감염의 주요한 원인으로 작용한다. 형성된 바이오필름은 기존 항생제만으로는 효과적인 제거가 어려워, 이를 극복하기 위한 새로운 치료 전략이 요구된다. 최근 충격파(Shockwave) 기술이 바이오필름 구조에 기계적 영향을 주고, 항생제 침투를 증가시켜 바이오필름 제거에 기여할 수 있음이 보고되었다. 따라서 본 연구에서는 관형 구조 내 녹농균 바이오필름 모델을 이용하여, 충격파와 항생제 병용 처리를 통해 바이오필름 제거 및 살균 효과를 평가하였다. 집락형성단위(CFU) 분석 및 SYTO9/PI 염색을 통해 살균 정도를 정량화하였고, 크리스탈 바이올렛 염색 및 주사전자현미경(SEM)을 통해 바이오필름의 박리 효과를 관찰하였다. 추가적으로, FTIR 분석을 통해 EPS를 구성하는 생체 고분자 성분 변화를 정성적으로 확인하였다. 그 결과, 충격파 처리는 바이오필름을 관형 구조 표면에서 현저히 박리시킴과 동시에 EPS 매트릭스를 약화시킴으로써, 이후 항생제 노출을 통해 바이오필름 내부 세균의 사멸을 유도하였다. 추후 연구를 통해, 다양한 충격파 및 항생제 농도 조건에 따른 바이오필름 제거 및 살균 효과를 정량화하고, EPS 변화에 대한 정량적 분석 및 기전 조사를 통해 병용 치료 전략의 최적화를 위한 연구가 이루어져야 할 것으로 여겨진다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Biofilm infections 1
• 1.2. Shockwave treatment for biofilm removal 3
• Chapter 2. Investigation of shockwave treatment for disruption of bacterial biofilm on tubular structure 6
• 2.1. Purpose 6
• 2.2. Materials and methods 7
• 2.2.1. Bacterial biofilm formation 7
• 2.2.2. Combined shockwave and antibiotic treatment 7
• 2.2.3. Crystal violet (CV) staining 11
• 2.2.4. Colony-forming unit (CFU) analysis 11
• 2.2.5. Confocal laser scanning microscopy (CLSM) 12
• 2.2.6. Scanning electron microscopy (SEM) 13
• 2.2.7. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) 13
• 2.2.8. Statistical analysis 14
• 2.3. Results 15
• 2.4. Discussion and conclusion 27
• Chapter 3. Discussion and conclusion 33
• 3.1. Summary of current findings 33
• 3.2 Further directions 34
• References 36