Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Measurement of in vivo and in vitro oxygen levels in the cerebrospinal fluid compartment during infection with Streptococcus suis

Martens, Alexander

Sauerstoff ist ein elementarer Faktor für Lebewesen. Der Organismus versucht, organspezifische Sauerstofflevel (Physioxie) durch ein komplexes Regulationssystem aufrechtzuerhalten, da unzureichende Sauerstoffwerte (Hypoxie) zu Veränderungen im Zellverhalten führen können. Untersuchungen an Zellen unter Laborbedingungen sollten daher auch unter geeigneten zelltypischen Sauerstoffniveaus durchgeführt werden. Das Ziel dieser Studie war es, den Sauerstoffgehalt in vitro und in vivo während einer Streptococcus (S.) suis-Meningitis zu charakterisieren. Der erste Schritt bestand darin, den „Status quo“ -Sauerstoffgehalt (zusammen mit pH-Messungen) in einem speziellen Zellkulturmodell zu bestimmen. Das Modell bildet die Blut-Liquor-Schranke ab, die als mögliches Einfalltor für verschiedene Bakterien in den Liquor bekannt ist. Die Oxygenierung während einer mit S. suis simulierten Infektion und anschließender Transmigration von neutrophilen Granulozyten wurde bestimmt und zeigte Sauerstoffpartialdrücke (pO2) bis zu 22 mmHg nach 6 Stunden Infektion. Um diese in vitro Ergebnisse mit der in vivo-Situation zu vergleichen, war der zweite Schritt die Sauerstoffbestimmung direkt im Liquor lebender Schweine während einer S. suis-Infektion. Der pO2 wurde mit weiteren Untersuchungen zahlreicher Zielorgane korreliert, um die Qualität der Infektion zu beschreiben. Der Sauerstoffgehalt im Liquor bei gesunden Tieren betrug etwa 56 mmHg, ein Wert, der in der Zellkultur „ohne Infektion“ gemessen wurde. Ein weiterer Abfall des Sauerstoffgehalts im Liquor aufgrund von Infektionsprozessen - wie in der Zellkultur - trat im Schwein jedoch nicht auf. Eine Anpassung der Inkubationsbedingungen hinsichtlich der Sauerstoffversorgung an die in vivo Situation wäre für weitere Infektionsstudien daher entsprechend vorteilhaft und könnte zu einer Verbesserung des Informationswertes dieses speziellen 3D-Zellmodells beitragen.

Oxygen is an elementary factor in the metabolism of cells. The organism tries to maintain organ-specific oxygen levels (physioxia) through a complex regulation system, since insufficient oxygen levels (hypoxia) can lead to changes in cell behavior. Studies on cells under laboratory conditions should therefore also be carried out under appropriate cell-typical oxygen levels. The goal of this study was to characterize in vitro and in vivo oxygen level during Streptococcus (S.) suis meningitis. Therefore, the first step was to characterize the “status quo” oxygen levels (along with pH measurement) in a cell culture model that mimics the blood-cerebrospinal fluid barrier (BCSFB), known as a possible gateway for bacteria into the cerebrospinal fluid compartment The oxygenation during simulated infection with S. suis and neutrophil granulocytes (PMN) was determined and indicates oxygen partial pressures (pO2) down to 22 mmHg after 6 hours of infection. In order to compare these oxygen results from the cell culture with the in vivo situation, the second step was the oxygen determination directly in the cerebrospinal fluid (CSF) in living pigs during S. suis infection. The pO2 was correlated to microbiological and histopathological examinations of numerous target organs to characterize the course of infection. It was found that the oxygen levels in the CSF in healthy animals were about 56 mmHg, which corresponds to the conditions found in an “uninfected” state of the cell culture. However, a further drop in the oxygen level in the CSF due to infection processes – like in the cell culture - did not occur. The different oxygen levels under infection between the cell culture and the in vivo situation should be taken into account in further cell studies in vitro. Adapting the incubation conditions regarding the oxygen supply would be correspondingly beneficial and would further improve the informative value of this special 3D cell model.

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Martens, Alexander: Measurement of in vivo and in vitro oxygen levels in the cerebrospinal fluid compartment during infection with Streptococcus suis. Hannover 2019. Tierärztliche Hochschule Hannover.

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