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Antimikrobielle Schicht soll Krankenhausinfektionen eindämmen

Infektionen, die von Bakterien auf medizinischen Produkten wie Kathetern oder Wundauflagen ausgelöst werden, sind gar nicht so selten und können lebensbedrohlich werden. Bislang existiert jedoch keine wirklich wirksame Methode, um die Produkte bis zur Benutzung keimfrei zu halten. Nun haben Wissenschaftler der Universität Freiburg eine Beschichtung entwickelt, die Bakterien zuverlässig abtötet, für menschliche Zellen aber ungefährlich ist. Die neuartige Oberflächenschicht soll jetzt unter anwendungsähnlichen Bedingungen in vitro getestet und für eine spätere Zulassung validiert werden.

PD Dr. Karen Lienkamp erforscht gleich an zwei Standorten der Universität Freiburg – dem IMTEK und dem FIT – neuartige Oberflächenbeschichtungen für Medizinprodukte, die diese bis zur Benutzung keimfrei halten. © Universität Freiburg, Foto: Britt Schilling

Infektiöse Keime wie Coli-Bakterien, Staphylokokken oder Enterokokken kommen gerade in Krankenhäusern häufig vor und sind zunehmend auch resistent gegen gängige Antibiotika. Gefährlich für die Patienten sind nicht nur der mögliche Ansteckungsweg von Mensch zu Mensch, sondern auch Infektionen, die von keimbesiedelten Medizinprodukten wie Wundauflagen oder Kathetern hervorgerufen werden: Sie enden weltweit jährlich für mehr als 100.000 Menschen tödlich1. Problematisch ist vor allem, dass die Bakterien auf den Oberflächen der Hilfsmittel Biofilme bilden – schleimige Schichten, in denen sich unzählige Bakterien gemeinsam zu Kolonien gruppieren und diese noch mit einer Schutzhülle umgeben. Sie sind so gefährlich, weil sie durch antibiotisch wirksame Substanzen und Komponenten des Immunsystems außerordentlich schwer zu durchdringen und damit gegenwärtig therapeutisch kaum zu bekämpfen sind.

Glossar

  • Ein Antibiotikum ist ein Stoffwechselprodukt von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze), das in geringen Konzentrationen andere Mikroorganismen in ihrem Wachstum hemmt.
  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Ein Peptid ist eine organisch-chemische Verbindung, die aus mehreren Aminosäuren (AS) besteht, die miteinander zu einer Kette verbunden wurden. Die Aminosäuren sind über Peptidbindungen miteinander verknüpft. Als Peptide bezeichnet man relativ kurze Aminosäurenketten (20 - 100 Aminosäuren), dagegen bezeichnet man längere Aminosäurenketten (>100) als Proteine.
  • Staphylococcus aureus ist ein häufig in der Umwelt und auch auf Haut und Schleimhäuten vorkommendes kugelförmiges, unbewegliches Bakterium. Gelangt Staphylococcus aureus z.B. durch ein geschwächtes Immunsystem in den Körper, verursacht es dort häufig eitrige Infektionen, Lebensmittelvergiftungen und Lungenentzündungen, die auch tödlich enden können.
  • Validierung oder Validation ist der Prozess der Prüfung einer These oder eines Lösungsansatzes in Bezug auf das zu lösende Problem.
  • kb ist die Abkürzung für Kilobase. Diese Einheit für die Länge von DNA- oder RNA-Molekülen entspricht 1.000 Basen bzw. Basenpaaren der Nukleinsäure.
  • Das Immunsystem ist das körpereigene Abwehrsystem von Lebewesen, das Gefahren durch Krankheitserreger abwenden soll. Es schützt vor körperfremden Substanzen und vernichtet anormale (entartete) Körperzellen. Dies wird durch ein komplexes Zusammenspiel mehrerer Organe, Zelltypen und chemischer Moleküle vermittelt.
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
  • Die Zytologie oder auch Zellbiologie ist eine Disziplin der Biowissenschaften, in der mit Hilfe mikroskopischer und molekularbiologischer Methoden die Zelle erforscht wird, um biologische Vorgänge auf zellulärer Ebene zu verstehen und aufzuklären.
  • Ein Polymer ist eine aus gleichartigen Einheiten aufgebaute kettenartige oder verzweigte chemische Verbindung. Die meisten Kunststoffe sind Polymere auf Kohlenstoffbasis.
  • Good Manufacturing Practise. Eine Sammlung an Richtlinien zu Qualitätssicherung der Produktionsabläufe und -umgebung
  • Ein Biofilm ist eine dünne Schleimschicht, die aus Mikroorganismen besteht und sich auf Oberflächen bildet, die in Kontakt mit Wasser stehen. Ein gutes Beispiel dafür ist der Zahnbelag.
  • Die Mikrosystemtechnik basiert auf technischen (Sub-)Systemen, deren funktionsbestimmende Strukturen Maße im Mikrometerbereich aufweisen (ein Mikrometer entspricht einem Tausendstel Millimeter).
  • Drastische Änderung eines bisher vorhandenen Denkmusters. Durch die Änderung wird eine völlig neue Grundlage für die Wissenschaft und die Forschung geschaffen. In der Biologie wird zum Beispiel die Evolution als Paradigmenwechsel zur Schöpfung angesehen.
  • Bundesministerium für Bildung und Forschung
Die Arbeitsgruppe „Bioactive Polymer Synthesis and Surface Engineering“ erforscht unter der Leitung von PD Dr. Karen Lienkamp neuartige, antibakterielle Oberflächenbeschichtungen für Medizinprodukte. © Ori Staszewski

Aus diesem Grund beschäftigt sich PD Dr. Karen Lienkamp mit ihrer Arbeitsgruppe an der Universität Freiburg schon seit Jahren mit der Möglichkeit, Oberflächen medizinischer Produkte zuverlässig keimfrei halten zu können. Dabei setzte die Chemikerin zunächst auf die Entwicklung spezieller antimikrobieller Beschichtungen, was aber alleine nicht gegen die Biofilmbildung ausreichte, wie sie sagt: „Solche antimikrobiellen Oberflächenschichten ziehen durch ihre positive Ladung die Bakterien mit ihren negativ geladenen Hüllen wie Magnete an. Die ersten Keime werden zwar abgetötet, dann setzt sich aber die nächste Schicht darauf. Es wären zwar durchaus Anwendungsbereiche hierfür denkbar, aber nur dort, wo man gegen wenige Bakterien kämpft. Deshalb haben wir schon vor längerer Zeit begonnen, solche antimikrobiellen Substanzen noch mit proteinabweisenden zu kombinieren, was sich als wesentlich wirksamer erwies.“

Neuartige Beschichtung per Zufallsentdeckung

Beschichtete Testoberflächen in der Belichtungskammer © Karen Lienkamp

Um die Oberflächen mit einer dualen Aktivität – antimikrobiell und gleichzeitig proteinabweisend – zu versehen, kombinierten die Wissenschaftler kurze Zwitterionenketten auf Polyoxonorbornen-Basis (PZI) mit SMAMPs (Synthetic Mimic of an Antimicrobial Peptide), künstlich synthetisierten Polymeren, die die Struktur natürlicher antimikrobieller Biomoleküle nachahmen. Beim Test der neuartigen Oberflächenbeschichtung stießen die Freiburger Chemiker dann ganz zufällig auf Erstaunliches: Die Polyzwitterionen, die man eigentlich ursprünglich nur als Kontrolle mitlaufen ließ, erwiesen sich als eine Art „eierlegende Wollmilchsau“, wie Lienkamp ihre Entdeckung nennt. „Wir stellten plötzlich fest, dass die Polyzwitterionen auch alleine alles an Bakterien abtöteten und trotzdem weiterhin proteinabweisend waren – also die Biofilmbildung verhinderten.“

Zudem erwiesen sich die PZI für menschliche Zellen als unschädlich. Um dies zu testen, führten die Forscher Toxizitätsassays an primären und immortalisierten Humanzelllinien durch. „Die Zellen wuchsen genauso gut nach Behandlung mit PZI wie sonst“, erklärt Lienkamp. „Und das ist ein sehr gutes Indiz dafür, dass die Substanz nicht toxisch ist. Wir haben dies in Lösung und auf Oberflächen getestet.“

Paradigmenwechsel bei den Polyzwitterionen

Nun steht der Praxistest des Polymers an. Um die Wirksamkeit der neuartigen Beschichtung nun testen und sie fertig entwickeln zu können, wird Lienkamp mit ihrer Arbeitsgruppe vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Projekt „ANTIBUG“ über drei Jahre mit 1,4 Millionen Euro gefördert. „Wir wollen jetzt zeigen, dass die Beschichtung in der Praxis genauso gut funktioniert wie im Labor“, sagt die Chemikerin. „Dafür werden wir auch eng mit Beratern aus der Industrie zusammenarbeiten. Beispielsweise werden wir Katheter und Wundverbände mit PZI beschichten und ganz üble Dinge damit tun: Wir werden sie mit den verschiedensten, harten Methoden sterilisieren oder sie Tropenbedingungen aussetzen, um die Lagerstabilität unter Einsatzbedingungen sicherzustellen und zu sehen, ob die Medizinprodukte nach solchen Behandlungen noch mikrobiologisch aktiv sind.“

Bei den Tests sind immer auch mehrere PZI mit verschiedenen Modifikationen am Start: „Damit wir nicht in die Falle tappen und am Schluss auf eine einzige Beschichtung gesetzt haben, die gar nicht die nötige Stabilität aufweist“, begründet Lienkamp diese Strategie. Das erstaunliche Polymer ist ein Eigenbau der Arbeitsgruppe: „Wir denken uns solche Strukturen aus und schrauben sie dann zusammen, das ist unsere tägliche Arbeit“, sagt die Chemikerin. „Aber die Stabilität zu optimieren – das ist absolutes Neuland für uns. So etwas wird in der Grundlagenforschung sonst eher vernachlässigt. Aber dieses Mal ist alles ein bisschen anders – man kann schon von einem Paradigmenwechsel reden, denn ab sofort muss man über solche Moleküle ganz anders denken als bisher.“

Ausgründung oder Industriekooperation geplant

Geforscht wird in Freiburg momentan noch mit Plättchen. Tests mit dreidimensionalen Oberflächen sollen aber demnächst begonnen werden. © Universität Freiburg, Foto: Britt Schilling

Generell werden alle getesteten Oberflächenbeschichtungen genauestens analysiert, um zu prüfen, ob sie sich nach der Sterilisation chemisch verändert haben. Ist dies nicht der Fall, werden die Substanzen an die Kollegen aus der Mikrobiologie weitergereicht, die untersuchen, ob diese noch ausreichend antimikrobiell aktiv sind. Und am Schluss steht dann noch die Zellbiologie, um sicherzustellen, dass das Polymer auch nach der Behandlung nicht toxisch für menschliche Zellen ist.

Parallel dazu werden die Freiburger Wissenschaftler die Synthese hochskalieren: „Jetzt stellen wir die PZI im Labormaßstab her“, erklärt Lienkamp. „Aber man muss natürlich auch klären, ob sich die Beschichtung in größerem Maßstab herstellen lässt und sie trotzdem noch stabil und gleichzeitig aktiv ist.“ Hat dies funktioniert, wird man sie unter GMP-Bedingungen synthetisieren und auch alle Tests unter zertifizierten Voraussetzungen durchführen, wie das für die Zulassung eines Medizinprodukts gefordert wird. „Und vielleicht finden wir ja in den nächsten drei Jahren dann auch schon einen Vorab-Kooperationspartner, wenn alles unter den realistischen Bedingungen so funktioniert wie wir uns das vorstellen“, so Lienkamp. „Denn wenn wir das hinbekommen, haben wir wirklich belastbare Daten, die wir einem Partner anbieten können. Da kauft er nicht die Katze im Sack.“

Momentan werden aber erst einmal noch nur Testplättchen PZI-beschichtet. „Denn es ist schwierig, dreidimensionale Oberflächen analytisch zu untersuchen“, so die Wissenschaftlerin. „Demnächst starten wir aber dann mit technischen Oberflächen, die wir uns mit Fluorfarbstoffen ansehen. Auch zur Entwicklung der geeigneten Beschichtungstechnik werden Versuche gemacht: „Bisher machen wir Tauchbeschichtungen, das ist den Technologen am liebsten – wir werden aber auch noch ganz viele andere Verfahren ausprobieren.“

Innovative Forschung an zwei Standorten

Theoretisch wären für die Zukunft auch noch andere Anwendungen denkbar – etwa die Beschichtung von Türklinken oder Lichtschaltern. Lienkamp würde das Polymer aber vorerst lieber nur für medizinische Anwendungen reservieren: „Man muss auch die Resistenzen im Auge behalten. Im Moment hat die neue Substanz zwar viel weniger Resistenzpotenzial. Aber die Bakterien werden über kurz oder lang Mechanismen finden, um auch hierfür unempfindlich zu werden. Deshalb gehören antimikrobielle Substanzen nur in Hochrisikobereiche. Wenn man etwa auch die Wände damit anstreichen würde, ist langfristig niemandem geholfen. Hier kann man reinigen, aber einen Katheter kann man schlecht putzen.“

Ihre Forschung betreibt die Wissenschaftlerin gleich an zwei Standorten, am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg und am Freiburger Zentrum für interaktive Werkstoffe und bioinspirierte Technologien (FIT). Das ist nicht etwa umständlich, sondern Lienkamp ist dankbar dafür: „Gerade das FIT ist ein neues Zentrum, in dem Forscher der verschiedensten Fachrichtungen, von Engineering bis Biologie, untergebracht sind. Und damit ein inspirierender, dynamischer Standort für unsere Projekte.“

Literatur:

1 Monika Kurowska, Alice Eickenscheidt, Diana-Lorena Guevara-Solarte, Vania Tanda Widyaya Franziska Marx, Ali Al-Ahmad and Karen Lienkamp: „A Simultaneously Antimicrobial, Protein-Repellent, and Cell-Compatible Polyzwitterion Network”. Biomacromolecules, DOI: 10.1021/acs.biomac.7b00100

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