Antibiotikaresistens är ett av de största hoten mot den globala hälsan. Aktuella metoder inom antibiotikaforskning, som används i läkemedelsföretag och forskningsinstitut, såsom buljongspädning och diskdiffusion, är statiska metoder och saknar representation av in vivo farmakokinetiska (PK) profiler. Hollow Fiber Infection Model (HFIM) står som den gyllene standarden för att efterlikna in vivo-förhållanden i ett in vitro-system, men den hindras av begränsningar inklusive stora volymer, kostnadsineffektivitet och inkompatibilitet med time-lapse-mikroskopi. För att ta itu med dessa begränsningar är utforskning av nya in vitro mikrofluidiska metoder absolut nödvändig för att studera bakteriebeteende och utveckling av antibiotikaresistens.

Denna studie presenterar utvecklingen av en enkel design, kostnadseffektiv och allmänt tillgänglig mikrofluidisk PK-modul som använder 3D-utskriftsteknik. PK-modulen demonstrerar effektiv blandning och uppdelning av olika lösningar, inklusive antibiotika, validerade genom beräkningssimuleringar och experimentella data över flera flödeshastigheter. Dessutom har PK-modulen framgångsrikt kopplats till en ny farmakodynamisk (PD)-plattform som tillåter time-lapse-mikroskopi. Validering av denna uppsättning med Escherichia coli-tillväxtexperiment och olika antibiotikadoseringsprofiler bekräftade effektiviteten av den utvecklade PK-modulen vid blandning av lösningar och tillhandahållande av tidsgradienter. Studien kan utökas med ytterligare jämförelse av koncentrations- och doseringsprofiler, optimering av plattformen för exakt tidsmässig antibiotikagradient och användning av kliniska isolat.

Antibiotic resistance is one of the biggest threats to global health. Current methods in antibiotic research, used in pharmaceutical companies and research institutes, such as broth dilution and disk diffusion, are static methods and lack representation of in vivo pharmacokinetic (PK) profiles. The Hollow Fibre Infection Model (HFIM) stands as the golden standard for mimicking in vivo conditions in an in vitro system, yet it is hindered by limitations including large volumes, cost-ineffectiveness, and incompatibility with time-lapse microscopy. To address these constraints, exploration of novel in vitro microfluidic methods is imperative for studying bacterial behaviour and antibiotic resistance development.

This study presents the development of a simple design, cost-effective and widely accessible microfluidic PK module utilizing 3D-printing technology. The PK module demonstrates efficient mixing and splitting of various solutions, including antibiotics, validated through computational simulations and experimental data across multiple flow rates. Moreover, the PK module has been successfully coupled to a novel pharmacodynamic (PD) platform allowing time-lapse microscopy. Validation of this setup with Escherichia coli growth experiments and diverse antibiotic dosing profiles confirmed the efficacy of the developed PK module in mixing solutions and supplying temporal gradients. The study can be expanded with further comparison of concentration and dosing profiles, optimisation of the platform for precise temporal antibiotic gradient and using clinical isolates.