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Diffusion of antibiotics through a biofilm in the presence of diffusion and absorption barriers
Physical Review E ( IF 2.2 ) Pub Date : 2020-09-16 , DOI: 10.1103/physreve.102.032408 Tadeusz Kosztołowicz 1 , Ralf Metzler 2
Physical Review E ( IF 2.2 ) Pub Date : 2020-09-16 , DOI: 10.1103/physreve.102.032408 Tadeusz Kosztołowicz 1 , Ralf Metzler 2
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We propose a model of antibiotic diffusion through a bacterial biofilm when diffusion and/or absorption barriers develop in the biofilm. The idea of this model is: We deduce details of the diffusion process in a medium in which direct experimental study is difficult, based on probing diffusion in external regions. Since a biofilm has a gel-like consistency, we suppose that subdiffusion of particles in the biofilm may occur. To describe this process we use a fractional subdiffusion-absorption equation with an adjustable anomalous diffusion exponent. The boundary conditions at the boundaries of the biofilm are derived by means of a particle random walk model on a discrete lattice leading to an expression involving a fractional time derivative. We show that the temporal evolution of the total amount of substance that has diffused through the biofilm explicitly depends on whether there is antibiotic absorption in the biofilm. This fact is used to experimentally check for antibiotic absorption in the biofilm and if subdiffusion and absorption parameters of the biofilm change over time. We propose a four-stage model of antibiotic diffusion in biofilm based on the following physical characteristics: whether there is absorption of the antibiotic in the biofilm and whether all biofilm parameters remain unchanged over time. The biological interpretation of the stages, in particular their relation with the bacterial defense mechanisms, is discussed. Theoretical results are compared with empirical results of ciprofloxacin diffusion through Pseudomonas aeruginosa biofilm, and ciprofloxacin and gentamicin diffusion through Proteus mirabilis biofilm.
中文翻译：
在存在扩散和吸收屏障的情况下，抗生素通过生物膜扩散
当生物膜中发生扩散和/或吸收障碍时，我们提出了一种通过细菌生物膜扩散的抗生素模型。该模型的思想是：基于探测外部区域的扩散，我们推导了在难以进行直接实验研究的介质中扩散过程的细节。由于生物膜具有类似凝胶的稠度，因此我们认为生物膜中可能发生颗粒的再扩散。为了描述这一过程，我们使用分数亚扩散-吸收方程式和可调节的异常扩散指数。生物膜边界上的边界条件通过离散晶格上的粒子随机游走模型导出，从而导致涉及分数时间导数的表达式。我们表明，通过生物膜扩散的物质总量的时间演变明确取决于生物膜中是否存在抗生素吸收。该事实用于实验检查生物膜中的抗生素吸收以及生物膜的再扩散和吸收参数是否随时间变化。我们基于以下物理特征，提出了一个四阶段的抗生素在生物膜中扩散的模型：生物膜中是否存在抗生素吸收以及所有生物膜参数是否随时间保持不变。讨论了阶段的生物学解释，特别是它们与细菌防御机制的关系。将理论结果与环丙沙星通过药物扩散的经验结果进行比较 该事实用于实验检查生物膜中的抗生素吸收以及生物膜的再扩散和吸收参数是否随时间变化。我们基于以下物理特征，提出了一个四阶段的抗生素在生物膜中扩散的模型：生物膜中是否存在抗生素吸收以及所有生物膜参数是否随时间保持不变。讨论了阶段的生物学解释，特别是它们与细菌防御机制的关系。将理论结果与环丙沙星通过药物扩散的经验结果进行比较 该事实用于实验检查生物膜中的抗生素吸收以及生物膜的再扩散和吸收参数是否随时间变化。我们基于以下物理特征，提出了一个四阶段的抗生素在生物膜中扩散的模型：生物膜中是否存在抗生素吸收以及所有生物膜参数是否随时间保持不变。讨论了阶段的生物学解释，特别是它们与细菌防御机制的关系。将理论结果与环丙沙星通过药物扩散的经验结果进行比较 生物膜中是否吸收了抗生素以及所有生物膜参数是否随时间保持不变。讨论了阶段的生物学解释，特别是它们与细菌防御机制的关系。将理论结果与环丙沙星通过药物扩散的经验结果进行比较 生物膜中是否吸收了抗生素以及所有生物膜参数是否随时间保持不变。讨论了阶段的生物学解释，特别是它们与细菌防御机制的关系。将理论结果与环丙沙星通过药物扩散的经验结果进行比较铜绿假单胞菌生物膜，环丙沙星和庆大霉素通过奇异变形杆菌生物膜扩散。
更新日期：2020-09-16
中文翻译：
在存在扩散和吸收屏障的情况下，抗生素通过生物膜扩散
当生物膜中发生扩散和/或吸收障碍时，我们提出了一种通过细菌生物膜扩散的抗生素模型。该模型的思想是：基于探测外部区域的扩散，我们推导了在难以进行直接实验研究的介质中扩散过程的细节。由于生物膜具有类似凝胶的稠度，因此我们认为生物膜中可能发生颗粒的再扩散。为了描述这一过程，我们使用分数亚扩散-吸收方程式和可调节的异常扩散指数。生物膜边界上的边界条件通过离散晶格上的粒子随机游走模型导出，从而导致涉及分数时间导数的表达式。我们表明，通过生物膜扩散的物质总量的时间演变明确取决于生物膜中是否存在抗生素吸收。该事实用于实验检查生物膜中的抗生素吸收以及生物膜的再扩散和吸收参数是否随时间变化。我们基于以下物理特征，提出了一个四阶段的抗生素在生物膜中扩散的模型：生物膜中是否存在抗生素吸收以及所有生物膜参数是否随时间保持不变。讨论了阶段的生物学解释，特别是它们与细菌防御机制的关系。将理论结果与环丙沙星通过药物扩散的经验结果进行比较 该事实用于实验检查生物膜中的抗生素吸收以及生物膜的再扩散和吸收参数是否随时间变化。我们基于以下物理特征，提出了一个四阶段的抗生素在生物膜中扩散的模型：生物膜中是否存在抗生素吸收以及所有生物膜参数是否随时间保持不变。讨论了阶段的生物学解释，特别是它们与细菌防御机制的关系。将理论结果与环丙沙星通过药物扩散的经验结果进行比较 该事实用于实验检查生物膜中的抗生素吸收以及生物膜的再扩散和吸收参数是否随时间变化。我们基于以下物理特征，提出了一个四阶段的抗生素在生物膜中扩散的模型：生物膜中是否存在抗生素吸收以及所有生物膜参数是否随时间保持不变。讨论了阶段的生物学解释，特别是它们与细菌防御机制的关系。将理论结果与环丙沙星通过药物扩散的经验结果进行比较 生物膜中是否吸收了抗生素以及所有生物膜参数是否随时间保持不变。讨论了阶段的生物学解释，特别是它们与细菌防御机制的关系。将理论结果与环丙沙星通过药物扩散的经验结果进行比较 生物膜中是否吸收了抗生素以及所有生物膜参数是否随时间保持不变。讨论了阶段的生物学解释，特别是它们与细菌防御机制的关系。将理论结果与环丙沙星通过药物扩散的经验结果进行比较铜绿假单胞菌生物膜，环丙沙星和庆大霉素通过奇异变形杆菌生物膜扩散。
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