Acute infections caused by pathogenic bacteria have been studied extensively for well over 100 years. These infections killed millions of people in previous centuries, but they have been combated effectively by the development of modern vaccines, antibiotics and infection control measures. Most research into bacterial pathogenesis has focused on acute infections, but these diseases have now been supplemented by a new category of chronic infections caused by bacteria growing in slime-enclosed aggregates known as biofilms. Biofilm infections, such as pneumonia in cystic fibrosis patients, chronic wounds, chronic otitis media and implant- and catheter-associated infections, affect millions of people in the developed world each year and many deaths occur as a consequence. In general, bacteria have two life forms during growth and proliferation. In one form, the bacteria exist as single, independent cells (planktonic) whereas in the other form, bacteria are organized into sessile aggregates. The latter form is commonly referred to as the biofilm growth phenotype. Acute infections are assumed to involve planktonic bacteria, which are generally treatable with antibiotics, although successful treatment depends on accurate and fast diagnosis. However, in cases where the bacteria succeed in forming a biofilm within the human host, the infection often turns out to be untreatable and will develop into a chronic state. The important hallmarks of chronic biofilm-based infections are extreme resistance to antibiotics and many other conventional antimicrobial agents, and an extreme capacity for evading the host defences. In this thesis, I will assemble the current knowledge on biofilms with an emphasis on chronic infections, guidelines for diagnosis and treatment of these infections, before relating this to my previous research into the area of biofilms. I will present evidence to support a view that the biofilm lifestyle dominates chronic bacterial infections, where bacterial aggregation is the default mode, and that subsequent biofilm development progresses by adaptation to nutritional and environmental conditions. I will make a series of correlations to highlight the most important aspects of biofilms from my perspective, and to determine what can be deduced from the past decades of biofilm research. I will try to bridge in vitro and in vivo research and propose methods for studying biofilms based on this knowledge. I will compare how bacterial biofilms exist in stable ecological habitats and opportunistically in unstable ecological habitats, such as infections. Bacteria have a similar lifestyle (the biofilm) in both habitats, but the fight for survival and supremacy is different. On the basis of this comparison, I will hypothesize how chronic biofilm infections are initiated and how bacteria live together in these infections. Finally, I will discuss different aspects of biofilm infection diagnosis. Hopefully, this survey of current knowledge and my proposed guidelines will provide the basis and inspiration for more research, improved diagnostics, and treatments for well-known biofilm infections and any that may be identified in the future.

The present study was undertaken to investigate the appearance and location of Pseudomonas aeruginosa in the cystic fibrosis (CF) lung and in sputum. Samples include preserved tissues of CF patients who died due to chronic P. aeruginosa lung infection prior to the advent of intensive antibiotic therapy, explanted lungs from 3 intensively treated chronically P. aeruginosa infected CF patients and routine sputum from 77 chronically P. aeruginosa infected CF patients. All samples were investigated microscopically using hematoxylin-eosin (HE), Gram and alcian-blue stain, PNA FISH and immunofluorescence for alginate.Investigation of the preserved tissues revealed that prior to aggressive antibiotic therapy, P. aeruginosa infection and destruction of the CF lung correlated with the occurrence of mucoid (alginate) bacteria present in aggregating structures surrounded by pronounced polymorphonuclear-leukocyte (PMN) inflammation in the respiratory zone (9/9). Non-mucoid bacteria were not observed here, and rarely in the conductive zone (1/9). However, in the explanted lungs, the P. aeruginosa aggregates were also mucoid but in contrast to the autopsies, they were very rare in the respiratory zone but abundant in the sputum of the conductive zone (3/3), which also contained abundances of PMNs (3/3). Non-mucoid and planktonic P. aeruginosa were also observed here (3/3).In conclusion, the present intensive antibiotic therapy of chronic P. aeruginosa infections, at the Copenhagen CF Centre, seems to restrain but not eradicate the bacteria from the conductive zone, whereas the remaining healthy respiratory zone appears to be protected, for a long period, from massive biofilm infection. This strongly suggests that the conductive zone serves as a bacterial reservoir where the bacteria are organized in mucoid biofilms within the mucus, protected against antibiotics and host defenses.

Biofilms cause chronic infections in tissues or by developing on the surfaces of medical devices. Biofilm infections persist despite both antibiotic therapy and the innate and adaptive defence mechanisms of the patient. Biofilm infections are characterized by persisting and progressive pathology due primarily to the inflammatory response surrounding the biofilm. For this reason, many biofilm infections may be difficult to diagnose and treat efficiently. It is the purpose of the guideline to bring the current knowledge of biofilm diagnosis and therapy to the attention of clinical microbiologists and infectious disease specialists. Selected hallmark biofilm infections in tissues (e.g. cystic fibrosis with chronic lung infection, patients with chronic wound infections) or associated with devices (e.g. orthopaedic alloplastic devices, endotracheal tubes, intravenous catheters, indwelling urinary catheters, tissue fillers) are the main focus of the guideline, but experience gained from the biofilm infections included in the guideline may inspire similar work in other biofilm infections. The clinical and laboratory parameters for diagnosing biofilm infections are outlined based on the patient’s history, signs and symptoms, microscopic findings, culture-based or culture-independent diagnostic techniques and specific immune responses to identify microorganisms known to cause biofilm infections. First, recommendations are given for the collection of appropriate clinical samples, for reliable methods to specifically detect biofilms, for the evaluation of antibody responses to biofilms, for antibiotic susceptibility testing and for improvement of laboratory reports of biofilm findings in the clinical microbiology laboratory. Second, recommendations are given for the prevention and treatment of biofilm infections and for monitoring treatment effectiveness. Finally, suggestions for future research are given to improve diagnosis and treatment of biofilm infections.

ABSTRACT With the widespread appearance of antibiotic-resistant bacteria, there is an increasing demand for novel strategies to control infectious diseases. Furthermore, it has become apparent that the bacterial life style also contributes significantly to this problem. Bacteria living in the biofilm mode of growth tolerate conventional antimicrobial treatments. The discovery that many bacteria use quorum-sensing (QS) systems to coordinate virulence and biofilm development has pointed out a new, promising target for antimicrobial drugs. We constructed a collection of screening systems, QS inhibitor (QSI) selectors, which enabled us to identify a number of novel QSIs among natural and synthetic compound libraries. The two most active were garlic extract and 4-nitro-pyridine- N -oxide (4-NPO). GeneChip-based transcriptome analysis revealed that garlic extract and 4-NPO had specificity for QS-controlled virulence genes in Pseudomonas aeruginosa . These two QSIs also significantly reduced P. aeruginosa biofilm tolerance to tobramycin treatment as well as virulence in a Caenorhabditis elegans pathogenesis model.

ABSTRACT Between 1 and 2% of the population in the developed world experiences a nonhealing or chronic wound characterized by an apparent arrest in a stage dominated by inflammatory processes. Lately, research groups have proposed that bacteria might be involved in and contribute to the lack of healing of these wounds. To investigate this, we collected and examined samples from chronic wounds obtained from 22 different patients, all selected because of suspicion of Pseudomonas aeruginosa colonization. These wound samples were investigated by standard culturing methods and peptide nucleic acid-based fluorescence in situ hybridization (PNA FISH) for direct identification of bacteria. By means of the culturing methods, Staphylococcus aureus was detected in the majority of the wounds, whereas P. aeruginosa was observed less frequently. In contrast, using PNA FISH, we found that a large fraction of the wounds contained P. aeruginosa . Furthermore, PNA FISH revealed the structural organization of bacteria in the samples. It appeared that P. aeruginosa aggregated as microcolonies imbedded in the matrix component alginate, which is a characteristic hallmark of the biofilm mode of growth. The present investigation suggests that bacteria present within these wounds tend to be aggregated in microcolonies imbedded in a self-produced matrix, characteristic of the biofilm mode of growth. Additionally, we must conclude that there exists no good correlation between bacteria detected by standard culturing methods and those detected by direct detection methods such as PNA FISH. This strongly supports the development of new diagnostic and treatment strategies for chronic wounds.

The opportunistic human pathogen Pseudomonas aeruginosa is the predominant micro-organism of chronic lung infections in cystic fibrosis (CF) patients. P. aeruginosa colonizes the CF lungs by forming biofilm structures in the alveoli. In the biofilm mode of growth the bacteria are highly tolerant to otherwise lethal doses of antibiotics and are protected from bactericidal activity of polymorphonuclear leukocytes (PMNs). P. aeruginosa controls the expression of many of its virulence factors by means of a cell–cell communication system termed quorum sensing (QS). In the present report it is demonstrated that biofilm bacteria in which QS is blocked either by mutation or by administration of QS inhibitory drugs are sensitive to treatment with tobramycin and H 2 O 2 , and are readily phagocytosed by PMNs, in contrast to bacteria with functional QS systems. In contrast to the wild-type, QS-deficient biofilms led to an immediate respiratory-burst activation of the PMNs in vitro . In vivo QS-deficient mutants provoked a higher degree of inflammation. It is suggested that quorum signals and QS-inhibitory drugs play direct and opposite roles in this process. Consequently, the faster and highly efficient clearance of QS-deficient bacteria in vivo is probably a two-sided phenomenon: down regulation of virulence and activation of the innate immune system. These data also suggest that a combination of the action of PMNs and QS inhibitors along with conventional antibiotics would eliminate the biofilm-forming bacteria before a chronic infection is established.

Quorum sensing (QS) communication systems are thought to afford bacteria with a mechanism to strategically cause disease. One example is Pseudomonas aeruginosa , which infects immunocompromised individuals such as cystic fibrosis patients. The authors have previously documented that blockage of the QS systems not only attenuates Ps. aeruginosa but also renders biofilms highly susceptible to treatment with conventional antibiotics. Filamentous fungi produce a battery of secondary metabolites, some of which are already in clinical use as antimicrobial drugs. Fungi coexist with bacteria but lack active immune systems, so instead rely on chemical defence mechanisms. It was speculated that some of these secondary metabolites could interfere with bacterial QS communication. During a screening of 100 extracts from 50 Penicillium species, 33 were found to produce QS inhibitory (QSI) compounds. In two cases, patulin and penicillic acid were identified as being biologically active QSI compounds. Their effect on QS-controlled gene expression in Ps. aeruginosa was verified by DNA microarray transcriptomics. Similar to previously investigated QSI compounds, patulin was found to enhance biofilm susceptibility to tobramycin treatment. Ps. aeruginosa has developed QS-dependent mechanisms that block development of the oxidative burst in PMN neutrophils. Accordingly, when the bacteria were treated with either patulin or penicillic acid, the neutrophils became activated. In a mouse pulmonary infection model, Ps. aeruginosa was more rapidly cleared from the mice that were treated with patulin compared with the placebo group.

ABSTRACT The spatial organization of Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus in chronic wounds was investigated in the present study. Wound biopsy specimens were obtained from patients diagnosed as having chronic venous leg ulcers, and bacterial aggregates in these wounds were detected and located by the use of peptide nucleic acid-based fluorescence in situ hybridization and confocal laser scanning microscopy (CLSM). We acquired CLSM images of multiple regions in multiple sections cut from five wounds containing P. aeruginosa and five wounds containing S. aureus and measured the distance of the bacterial aggregates to the wound surface. The distance of the P. aeruginosa aggregates to the wound surface was significantly greater than that of the S. aureus aggregates, suggesting that the distribution of the bacteria in the chronic wounds was nonrandom. The results are discussed in relation to our recent finding that swab culturing techniques may underestimate the presence of P. aeruginosa in chronic wounds and in relation to the hypothesis that P. aeruginosa bacteria located in the deeper regions of chronic wounds may play an important role in keeping the wounds arrested in a stage dominated by inflammatory processes.

The opportunistic human pathogen Pseudomonas aeruginosa is the predominant micro-organism of chronic lung infections in cystic fibrosis patients. P. aeruginosa colonizes the lungs by forming biofilm microcolonies throughout the lung. Quorum sensing (QS) renders the biofilm bacteria highly tolerant to otherwise lethal doses of antibiotics, and protects against the bactericidal activity of polymorphonuclear leukocytes (PMNs). It has been previously demonstrated that QS is inhibited by garlic extract. In this study, the synergistic effects of garlic and tobramycin, and PMNs activities have been evaluated. P. aeruginosa was grown in vitro in continuous-culture once-through flow chambers with and without garlic extract. The garlic-treated biofilms were susceptible to both tobramycin and PMN grazing. Furthermore, the PMNs showed an increase in respiratory burst activation, when incubated with the garlic-treated biofilm. Garlic extract was administered as treatment for a mouse pulmonary infection model. Mice were treated with garlic extract or placebo for 7 days, with the initial 2 days being prophylactic before P. aeruginosa was instilled in the left lung of the mice. Bacteriology, mortality, histopathology and cytokine production were used as indicators. The garlic treatment initially provoked a higher degree of inflammation, and significantly improved clearing of the infecting bacteria. The results indicate that a QS-inhibitory extract of garlic renders P. aeruginosa sensitive to tobramycin, respiratory burst and phagocytosis by PMNs, as well as leading to an improved outcome of pulmonary infections.

ABSTRACT In relation to emerging multiresistant bacteria, development of antimicrobials and new treatment strategies of infections should be expected to become a high-priority research area. Quorum sensing (QS), a communication system used by pathogenic bacteria like Pseudomonas aeruginosa to synchronize the expression of specific genes involved in pathogenicity, is a possible drug target. Previous in vitro and in vivo studies revealed a significant inhibition of P. aeruginosa QS by crude garlic extract. By bioassay-guided fractionation of garlic extracts, we determined the primary QS inhibitor present in garlic to be ajoene, a sulfur-containing compound with potential as an antipathogenic drug. By comprehensive in vitro and in vivo studies, the effect of synthetic ajoene toward P. aeruginosa was elucidated. DNA microarray studies of ajoene-treated P. aeruginosa cultures revealed a concentration-dependent attenuation of a few but central QS-controlled virulence factors, including rhamnolipid. Furthermore, ajoene treatment of in vitro biofilms demonstrated a clear synergistic, antimicrobial effect with tobramycin on biofilm killing and a cease in lytic necrosis of polymorphonuclear leukocytes. Furthermore, in a mouse model of pulmonary infection, a significant clearing of infecting P. aeruginosa was detected in ajoene-treated mice compared to a nontreated control group. This study adds to the list of examples demonstrating the potential of QS-interfering compounds in the treatment of bacterial infections.