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Agent-based model indicates chemoattractant signaling caused by Mycobacterium avium biofilms in the lung airway increases bacterial loads by spatially diverting macrophages - 25/01/23

Doi : 10.1016/j.tube.2022.102300 
Catherine Weathered
 Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, IN, USA 

Kelly Pennington
 Division of Pulmonary and Critical Care Medicine, Department of Medicine, Mayo Clinic, Rochester, MN, USA 

Patricio Escalante
 Division of Pulmonary and Critical Care Medicine, Department of Medicine, Mayo Clinic, Rochester, MN, USA 

Elsje Pienaar
 Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, IN, USA 

Corresponding author. 206 S. Martin Jischke, West Lafayette, IN, 47907, USA.206 S. Martin JischkeWest LafayetteIN47907USA

Abstract

Incidence and prevalence of MAC infections are increasing globally, and reinfection is common. Thus, MAC infections present a significant public health challenge. We quantify the impact of MAC biofilms and repeated exposure on infection progression using a computational model of MAC infection in lung airways.

MAC biofilms aid epithelial cell invasion, cause premature macrophage apoptosis, and limit antibiotic efficacy. In this computational work we develop an agent-based model that incorporates the interactions between bacteria, biofilm, and immune cells. In this computational model, we perform virtual knockouts to quantify the effects of the biofilm sources (deposited with bacteria vs. formed in the airway), and their impacts on macrophages (inducing apoptosis and slowing phagocytosis). We also quantify the effects of repeated bacterial exposures to assess their impact on infection progression.

Our simulations show that chemoattractants released by biofilm-induced apoptosis bias macrophage chemotaxis towards pockets of infected and apoptosed macrophages. This bias results in fewer macrophages finding extracellular bacteria, allowing the extracellular planktonic bacteria to replicate freely. These spatial macrophage trends are further exacerbated with repeated deposition of bacteria.

Our model indicates that interventions to abrogate macrophages’ apoptotic responses to bacterial biofilms and/or reduce frequency of patient exposure to bacteria will lower bacterial load, and likely overall risk of infection.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Agent-based model, Nontuberculous mycobacteria, Biofilm, Spatial heterogeneity


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  • Francesca Nicola, Daniela M. Cirillo, Nicola I. Lorè

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