Forschungsteam entwickelt Oberflächen, die die Ausbreitung resistenter Bakterien verhindern sollen

Antibiotikaresistente bakterielle Infektionen werden zu einer großen gesellschaftlichen Herausforderung. Um dieses Problem zu lösen, arbeiten Forscher an neuen Medikamenten, die Bakterien abtöten, ohne Resistenzen zu fördern, und an neuen Materialien, die die Bildung bakterieller Biofilme verhindern. Letztere sind die Quelle resistenter Varianten, lassen sich aber bekanntermaßen nur schwer entfernen.

Kürzlich haben Forscher vom Institut für Physikalische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften entdeckt, dass die Wellenbildung auf einer Oberfläche dazu beitragen kann, die Ausbreitung resistenter Bakterien einzudämmen.

Der weltweite übermäßige Einsatz von Antibiotika hat die Entwicklung resistenter Bakterien erheblich beschleunigt, die sich weltweit rasch ausbreiten und antibiotikaempfindliche Bakterien ersetzen. Viele häufig vorkommende Stämme pathogener Bakterien sind mittlerweile gegen mehrere Antibiotika resistent, sodass die Suche nach neuen Methoden zur Bekämpfung bakterieller Infektionen unabdingbar ist.

Auf der Suche nach einer Möglichkeit, das Wachstum unerwünschter resistenter Bakterien einzuschränken, untersuchen Forscher vom Dioscuri Centre for Physics and Chemistry of Bacteria, IPC PAS, das Verhalten antibiotikaempfindlicher und antibiotikaresistenter E. coli-Bakterien auf verschiedenen Oberflächen. Die Forscher hoffen, dass ein besseres Verständnis des Wachstums solcher Bakterienpopulationen dazu beitragen wird, neuartige antibakterielle Beschichtungen zu entwickeln, die die Entstehung von Resistenzen verhindern.

Sowohl in der Natur als auch im menschlichen Körper bilden Bakterien oft eng verbundene, an Oberflächen haftende Gemeinschaften, sogenannte Biofilme. Bakterien in Biofilmen sind teilweise vor Antibiotika geschützt, die den Biofilm aufgrund seiner dichten Struktur nicht durchdringen können. Wie in dem Aphorismus „Was dich nicht tötet, macht dich stärker“ fördert dies die Entwicklung antibiotikaresistenter Bakterien, die spontan im Biofilm entstehen.

Nach der Einnahme von Antibiotika, beispielsweise während einer Infektion, beginnen sich einige resistente Bakterien zu vermehren, da das Antibiotikum sie nicht abtöten kann. Wenn dieser Prozess in einem Biofilm stattfindet, der auf einer flachen Oberfläche wächst, beispielsweise auf einem Harnkatheter, können sich resistente Bakterien nicht daran hindern, sich auszubreiten und schließlich die empfindlichen Bakterien zu befallen.

Forscher von IPC PAS haben nun gezeigt, dass dieser Prozess gestoppt werden kann, indem man die Oberfläche wellt. In einem kürzlich erschienenen Artikel veröffentlicht im Journal Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftenzeigen sie, dass bereits winzige Oberflächenwellen, die viel kleiner sind als die Dicke des Biofilms, ausreichen, um die Ausbreitung resistenter Mutanten auf winzige „Sektoren“ innerhalb des Biofilms zu beschränken.

Das Team um Dr. Bartłomiej Wacław züchtete bakterielle Biofilme in einem mikrofluidischen Gerät, das aus mikroskopischen Kammern mit einer gewellten Bodenfläche in Form einer Sinusfunktion bestand. Jede Kammer war mit einem Biofilm aus zwei verschiedenen Bakterien besetzt, empfindlich und resistent, die zunächst miteinander vermischt wurden.

Nach der Verabreichung eines Antibiotikums begannen resistente Bakterien schneller zu wachsen als empfindliche Bakterien. Anders als in Kammern mit flachem Boden übernahmen resistente Bakterien in gewellten Kammern jedoch nicht die Oberhand über die empfindlichen Bakterien. Stattdessen blieben die resistenten Bakterien auf kleine Sektoren innerhalb der Taschen des gewellten Musters beschränkt.

„Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die bakterielle Populationsdynamik im Biofilm durch Manipulation der Oberflächengeometrie kontrolliert werden kann. Wir haben dies speziell für einen antibiotikaresistenten Mutanten nachgewiesen, was möglicherweise interessante Auswirkungen auf die Medizin hat. Gemusterte Oberflächen wurden bereits auf ihr Potenzial zur Bildung von Biofilmen untersucht. Unsere Forschung liefert eine weitere Begründung für die Verwendung solcher Oberflächen – sie können auch die Ausbreitung resistenter Bakterien verhindern“, erklärt Dr. Wacław.

Dr. Waclaw betont jedoch, dass es noch zu früh sei, um zu sagen, ob die in seiner Gruppe durchgeführte Grundlagenforschung in praktische Anwendungen umgesetzt werden kann. Er weist jedoch darauf hin, dass „dieser Ansatz zwar sicherlich nicht das Problem der Antibiotikaresistenz beseitigen wird, aber er kann dazu beitragen, das Risiko eines Therapieversagens bei Krankenhauspatienten zu verringern. Solche Patienten werden oft katheterisiert, was ein erhebliches Risiko einer Infektion mit einem im Krankenhaus vorkommenden antibiotikaresistenten Stamm birgt. Die Verlangsamung der Ausbreitung solcher Bakterien kann für einige Patienten den Unterschied zwischen Leben und Tod bedeuten.“

Dr. Waclaw sagt auch, dass ihr Ergebnis allgemeiner ist und auf jede Situation zutrifft, in der ein unerwünschter Bakterienstamm schneller wächst als andere Stämme.

„Ein ähnlicher Effekt könnte ausgenutzt werden, um mikrobielle Gemeinschaften zu stabilisieren, die in industriellen Prozessen wie der Abwasserbehandlung, der Biokraftstoffproduktion und vielen anderen verwendet werden“, bemerkt er.