Die „Back-to-School“-Saison bedeutet, Stifte und Papier zu kaufen, die neue Buslinie herauszufinden und … Ohrenschmerzen. Ärzte behandeln diese Infektionen normalerweise mit Antibiotika, aber Kinder durchlaufen nicht immer den gesamten Behandlungszyklus, was zu einer beschleunigten Resistenz gegen diese Medikamente führt. Heute berichten Forscher von der Entwicklung eines nanoskaligen Einwegsystems, das wahrscheinlich keine Resistenzen hervorruft. Mithilfe einer bleichmittelähnlichen Verbindung bei Versuchstieren zeigten sie, dass sie eine Bakterienart abtöten kann, die Ohrenentzündungen verursacht, und dass sie eines Tages problemlos als Gel aufgetragen werden könnte.
Ihre Ergebnisse stellen die Forscher heute auf der vor Herbsttreffen der American Chemical Society (ACS).
„Zu dieser Idee kamen wir zunächst, als wir uns das Bleichmittel für Haushaltsreiniger ansahen. Obwohl es seit dem 19. Jahrhundert verwendet wird, scheinen Bakterien keine weit verbreitete Resistenz gegen dieses Reinigungsmittel entwickelt zu haben“, sagt Rong Yang, Ph.D., der Hauptforscher des Projekts.
Aber Yang warnt schnell davor, Infektionen mit Bleichmitteln zu behandeln. Die im Handel erhältliche Lösung ist hochkonzentriert und ätzend, aber bei richtig kontrollierter Anwendung und extrem niedrigen Konzentrationen gilt der Wirkstoff im Bleichmittel als mit lebendem Gewebe verträglich.
Nachdem sie erkannt hatten, dass der Wirkstoff im Haushaltsreiniger die Antibiotikaresistenz umgehen könnte, beschlossen die Forscher von der Cornell University, ein fast universelles Kinderleiden anzugehen: akute Ohrenentzündungen. Diese Infektionen betreffen mehr als 95 % der Kinder in den USA und die Behandlung erfordert in der Regel die Einnahme von Antibiotika über fünf bis zehn Tage. Allerdings können diese Therapien problematische Nebenwirkungen haben, die dazu führen, dass einige Familien die Medikamente vorzeitig absetzen, insbesondere wenn die Symptome nachlassen. Die unsachgemäße Anwendung dieser Medikamente kann jedoch die Entwicklung einer Antibiotikaresistenz beschleunigen, was die Behandlung von Infektionen schwieriger – wenn nicht sogar unmöglich – macht. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation zählt dieses Problem zu den größten Bedrohungen für die globale Gesundheit.
Bakterien bekämpfen einige Substanzen erfolgreicher als andere. Hypochlorige Säure aus Bleichmitteln gehört zu einer Familie von Verbindungen, die als hypohalige Säuren bekannt sind und gegen die Bakterien noch keine nennenswerte Resistenz entwickelt haben – höchstwahrscheinlich aufgrund der zahlreichen Arten, wie diese hochreaktiven Säuren mikrobielle Zellen schädigen, sagt Yang.
Bildnachweis: American Chemical Society
Da diese Substanzen schnell abgebaut werden, versuchten Yang und ihre Kollegen, bei Bedarf eine davon hinter dem Trommelfell im Mittelohr zu erzeugen, wo Ohrenentzündungen auftreten. Inspiration fanden sie in einem Enzym aus Riesentang, das Wasserstoffperoxid (H2O2) in hypobromige Säure (HOBr) umwandelt, einen chemischen Verwandten von Bleichmittel.
Das Bakterium Streptococcus pneumoniae ist eine häufige Ursache für Ohrenentzündungen und produziert H2O2, um andere Mikroben abzuwehren. Um das Kelp-Enzym nachzuahmen, das das Metall Vanadium enthält, entwarfen Yang und ihre Kollegen Nanodrähte aus Vanadiumpentoxid (V2O5). Diese produzieren HOBr nur in Gegenwart der H2O2-produzierenden Bakterien, und ihre stäbchenförmige Form hilft, sie an Ort und Stelle zu halten, indem sie ihre Fähigkeit verringert, in Körperflüssigkeiten zu diffundieren.
In Tests an Chinchillas, die sich Ohrenentzündungen durch dieselben Erreger wie menschliche Kinder zuziehen, gelang es ihnen, die meisten S. pneumoniae zu eliminieren. Yang und Kollegen fanden heraus, dass sich die einst entzündeten Trommelfelle der Tiere nach der Behandlung mit den Nanodrähten wieder normalisierten. Unterdessen ergaben Tests an gesunden Tieren Hinweise darauf, dass die Behandlung das Gehör nicht beeinträchtigte.
Für diese Experimente injizierten die Forscher die Nanodrähte direkt in das Mittelohr. In neueren Arbeiten an Chinchillas entwickelten sie eine weniger invasive und praktischere Methode zur Einführung der Drähte. Durch die Verzierung der Nanodrähte mit Peptiden, von denen bekannt ist, dass sie kleine Partikel durch das Trommelfell transportieren, fanden Yang und ihr Team heraus, dass sie die Behandlung topisch in Form eines Gels im Gehörgang abgeben konnten. Nach dem Auftragen des Gels durchdrangen die darin enthaltenen Nanodrähte das intakte Gewebe. Sie erforschen auch andere Ansätze, um die Nanodrähte durch das Trommelfell zu führen.
Da andere Bakterien, die Ohrenentzündungen verursachen, kein H2O2 produzieren, untersuchen die Forscher derzeit, ob dieses System in Gegenwart anderer Mikroben als S. pneumoniae wirksam ist und wie sie es zur Bekämpfung der anderen Bakterien anpassen könnten.
Die Forscher haben noch keine Studien durchgeführt, um festzustellen, wie lange das System an Ort und Stelle bleibt, obwohl ihre Erkenntnisse darauf hindeuten, dass die Nanodrähte nach Abklingen der Infektion aus dem Mittelohr abfließen. Allerdings vermutet Yang, dass sie die Eigenschaften der Nanodrähte so anpassen könnten, dass sie danach noch lange Zeit an Ort und Stelle bleiben. Dieser letztgenannte Ansatz könnte es ermöglichen, wiederkehrende Infektionen zu verhindern, unter denen viele Kinder leiden.
„Wenn die Bakterien zurückkehren, könnte das System neu gestartet werden, sodass Kinder nicht wiederholt Antibiotika benötigen und dabei mehr Resistenzen entwickeln“, sagt Yang.
Mehr Informationen:
Ausrottung von Ohrenentzündungen durch autonome Synthese antimikrobieller Mittel, ACS Herbst 2023.