Extensive efforts are underway to develop bacteriophages as therapies against antibiotic-resistant bacteria. However, these efforts are confounded by the instability of phage preparations and a lack of suitable tools to assess active phage concentrations over time. Here, we use Dynamic Light Scattering (DLS) to measure changes in phage physical state in response to environmental factors and time, finding that phages tend to decay and form aggregates and that the degree of aggregation can be used to predict phage bioactivity. We then use DLS to optimize phage storage conditions for phages from human clinical trials, predict bioactivity in 50-year-old archival stocks, and evaluate phage samples for use in a phage therapy/wound infection model. We also provide a web-application (Phage-ELF) to facilitate DLS studies of phages. We conclude that DLS provides a rapid, convenient, and non-destructive tool for quality control of phage preparations in academic and commercial settings.

Abstract Pseudomonas aeruginosa ( Pa ) is a major bacterial pathogen responsible for chronic lung infections in cystic fibrosis patients. Recent work by ourselves and others has implicated Pf bacteriophages, non-lytic filamentous viruses produced by Pa , in the chronicity and severity of Pa infections. Pf phages act as structural elements in Pa biofilms and sequester aerosolized antibiotics, thereby contributing to antibiotic tolerance. Consistent with a selective advantage in this setting, the prevalence of Pf+ bacteria increases over time in these patients. However, the production of Pf phages comes at a metabolic cost to bacteria, such that Pf+ strains grow more slowly than Pf- strains in vitro. Here, we use a mathematical model to investigate how these competing pressures might influence the relative abundance of Pf+ versus Pf- strains in different settings. Our model predicts that Pf+ strains of Pa can only outcompete Pf- strains if the benefits of phage production falls solely onto Pf+ strains and not onto the overall bacterial community in the lung. Further, phage production only leads to a net positive gain in fitness at antibiotic concentrations slightly above the minimum inhibitory concentration (i.e., concentrations for which the benefits of antibiotic sequestration outweigh the metabolic cost of phage production), but which are not lethal for Pf+ strains. As a result, our model predicts that frequent administration of intermediate doses of antibiotics with low decay rates favors Pf+ over Pf- strains. These models inform our understanding of the ecology of Pf phages and suggest potential treatment strategies for Pf+ Pa infections. Importance Filamentous phages are a frontier in bacterial pathogenesis, but the impact of these phages on bacterial fitness is unclear. In particular, Pf phages produced by Pa promote antibiotic tolerance but are metabolically expensive to produce, suggesting that competing pressures may influence the prevalence of Pf+ versus Pf- strains of Pa in different settings. Our results identify conditions likely to favor Pf+ strains and thus antibiotic tolerance. This study contributes to a better understanding of the unique ecology of filamentous phages and may facilitate improved treatment strategies for combating antibiotic tolerance.

Interleukin 2 (IL-2) is a promising therapy for autoimmune type 1 diabetes (T1D), but the short half-life in vivo (less than 6 minutes) limits effective tissue exposure to IL-2. Tissue exposure is required for the tolerogenic effects of IL-2. We have developed an injectable hydrogel that incorporates heparin polymers to enable the sustained release of IL-2. This platform uses clinical grade and commercially available materials, including collagen, hyaluronan, and heparin, to deliver IL-2 by slowly degrading and releasing IL-2 over a two-week period in vivo. We find that heparin potentiates the activity of IL-2 and IL-2-mediated expansion of Foxp3+ regulatory T cell (Treg). Hydrogel-mediated IL-2 release showed a reduction of CD4+ and CD8+ T cells and an increase of FoxP3+ Treg in the lymph nodes of injected mice. Moreover, in the Non-Obese Diabetic (NOD) mouse model of T1D once-weekly administration of IL-2 hydrogels prevented diabetes onset as efficiently as 3x weekly repeated injections of soluble IL-2. Together these data suggest that heparin-containing hydrogels may have benefit in delivering low-dose IL-2 and promoting immune tolerance in autoimmune diabetes.

Despite great progress in the field, chronic Pseudomonas aeruginosa ( Pa ) infections remain a major cause of mortality in patients with cystic fibrosis (pwCF), necessitating treatment with antibiotics. Pf is a filamentous bacteriophage produced by Pa and acts as a structural element in Pa biofilms. Pf presence has been associated with antibiotic resistance and poor outcomes in pwCF, although the underlying mechanisms are unclear. We have investigated how Pf and sputum biopolymers impede antibiotic diffusion using pwCF sputum and fluorescent recovery after photobleaching. We demonstrate that tobramycin interacts with Pf and sputum polymers through electrostatic interactions. We also developed a set of mathematical models to analyze the complex observations. Our analysis suggests that Pf in sputum reduces the diffusion of charged antibiotics due to a greater binding constant associated with organized liquid crystalline structures formed between Pf and sputum polymers. This study provides insights into antibiotic tolerance mechanisms in chronic Pa infections and may offer potential strategies for novel therapeutic approaches.

Abstract Despite great progress in the field, chronic Pseudomonas aeruginosa ( Pa ) infections remain a major cause of morbidity and mortality in patients with cystic fibrosis, necessitating treatment with inhaled antibiotics. Pf phage is a filamentous bacteriophage produced by Pa that has been reported to act as a structural element in Pa biofilms. Pf presence has been associated with resistance to antibiotics and poor outcomes in cystic fibrosis, though the underlying mechanisms are unclear. Here, we have investigated how Pf phages and sputum biopolymers impede antibiotic diffusion using human sputum samples and fluorescent recovery after photobleaching. We demonstrate that tobramycin interacts with Pf phages and sputum polymers through electrostatic interactions. We also developed a set of mathematical models to analyze the complex observations. Our analysis suggests that Pf phages in sputum reduce the diffusion of charged antibiotics due to a greater binding constant associated with organized liquid crystalline structures formed between Pf phages and sputum polymers. This study provides insights into antibiotic tolerance mechanisms in chronic Pa infections and may offer potential strategies for novel therapeutic approaches. Teaser Pf phages and sputum polymers reduce antibiotic diffusion via electrostatic interactions and liquid crystal formation.