Die Forscherin Kim Lewis aus dem Nordosten der USA leitet die Bemühungen zur Beschleunigung der Entdeckung neuer Antibiotika im Rahmen eines Projekts mehrerer Institutionen zur Bekämpfung des wachsenden Problems der Antibiotikaresistenz.
„Das ist ein großes Problem, denn wir haben vor etwa 50 Jahren weitgehend damit aufgehört, neue Antibiotika einzuführen“, sagt Lewis, renommierter Professor für Biologie und Direktor des Antimicrobial Discovery Center der Northeastern University.
„Bakterien entwickeln und verbreiten weiterhin Resistenzen, was zu einer Krise der antimikrobiellen Resistenz geführt hat, die die Weltgesundheitsorganisation als eine sich langsam ausbreitende Pandemie bezeichnet“, sagt Lewis. Sie trage zu fast fünf Millionen Todesfällen pro Jahr bei.
Das Ziel der beschleunigten Technologie besteht darin, durch einen Hochdurchsatzansatz und Mikrofluidik die Entdeckung neuer Antibiotika zu beschleunigen.
Wissenschaftler aus 25 Forschungsgruppen in neun Bundesstaaten und dem Vereinigten Königreich werden neuartige Werkzeuge, darunter Einzelzelltests und maschinelles Lernen, entwickeln, um bakterielle Infektionen zu diagnostizieren und zu behandeln, die sich als resistent gegen derzeitige Therapien erweisen.
„Die derzeit verfügbaren Antibiotika stammen von weniger als einem Prozent der Arten“, sagt Lewis. Das bedeutet, dass die überwiegende Mehrheit der Bakterienarten nicht auf ihre antimikrobiellen Fähigkeiten getestet wurde.
Er und sein Team entwickelten einen neuen Ansatz zur Entdeckung von Antibiotika aus Bodenbakterien, bei dem einzelne Zellen in Mikrotröpfchen eingekapselt werden, die dann mit einer Rate von 10 Millionen Arten pro Tag getestet werden können, statt wie bislang mit 100.000 Arten im Verlauf von 10 Jahren.
Lewis‘ Forschung ist Teil eines Bundesvertrags unter der Leitung von Johan Paulsson von der Harvard Medical School. Eine von Paulsson entwickelte Mikrofluidikmethode platziert jede Zelle in einem Kanal eines Mikrofluidikgeräts und ermöglicht so eine Visualisierung, was die Entdeckung neuer Antibiotika weiter verbessern sollte, sagt Lewis.
„Bisher wurden Screenings mit Technologien aus dem frühen 20. Jahrhundert durchgeführt“, sagt er. „Die Einführung dieser fortschrittlichen Screening-Plattform wird die Chancen verbessern, neue Antibiotika zu entdecken.“
„Die altmodische Methode besteht darin, eine Petrischale zu nehmen und sie gleichmäßig mit einem Testpathogen zu bedecken. Dann legt man den potentiellen Erzeuger auf die Petrischale. Wenn er ein Antibiotikum produziert, sieht man eine Hemmzone, die die Kolonie des Erzeugers vom Rasen des Testpathogens trennt. Das ist die Standardtechnologie.“
„Wir bringen dies ins 21. Jahrhundert, indem wir Mikrofluidik und schnelle Rasterlasermikroskopie verwenden, die 10 Millionen Zellen mehr oder weniger gleichzeitig betrachtet und entscheidet, was mit ihnen geschieht“, sagt Lewis.
Anhand von Bodenproben, die wir weltweit, vor allem aber in den USA, sammeln, „stellen wir eine Zellsuspension aus der Umwelt her. Diese Zellsuspension gelangt dann in einen Mikrofluidchip, der so etwas wie ein Fluss mit Seitenkanälen ist.“
„Es gibt etwa 10 Millionen solcher Seitenkanäle. Die Suspension wird so verdünnt, dass in jeden Kanal etwa eine Zelle gelangt. Nun kann diese Zelle mit dem Wachstum beginnen, Tochterzellen bilden und alles produzieren, was sie produzieren möchte.“
Die Verbindungen zwischen den winzigen Kanälen – die nur einen Tausendstel Millimeter groß sind – werden geöffnet, um die Diffusion des Antibiotikums zu ermöglichen und die Testerreger freizusetzen.
Als nächstes kann uns ein Laser-Rastermikroskop „verraten, ob sich der getestete Erreger teilt oder nicht“, sagt Lewis. „Wenn die Zelle aufhört zu wachsen, wissen wir, dass sie von einem Antibiotikum angegriffen wird.“
Die meisten Antibiotika, die heute in der Klinik verwendet werden, wurden aus Organismen namens Actinomyceten isoliert, die laut Lewis schon vor langer Zeit „übermäßig abgebaut“ wurden, was zur Krise der antimikrobiellen Resistenz führte.
Er sagt, sein Team an der Northeastern University habe bereits mit der Erforschung externer Actinomyceten-Bakterien begonnen und „sehr interessante neue Verbindungen gefunden, die sich derzeit in der Entwicklung gegen multiresistente Erreger befinden.“
Sein Labor habe bereits zahlreiche Erfolge bei der Entdeckung neuer Antibiotika vorzuweisen, sagt Lewis, „und jetzt werden wir das besser und schneller machen.“
Diese Geschichte wird mit freundlicher Genehmigung von Northeastern Global News erneut veröffentlicht. news.northeastern.edu.