Silbernanopartikel und eine neue Sensormethode können antibiotikaresistente Biofilme bekämpfen

Von der Sicherung unserer Lebensmittelversorgung bis zur Vorbeugung von Krankenhausinfektionen ist der Kampf gegen antibiotikaresistente Bakterien eine wachsende Herausforderung. Einige Bakterien können Biofilme bilden, dicke Aggregate aus Millionen einzelner Zellen, die von schützenden schleimartigen Substanzen umgeben sind, die leicht an Oberflächen haften. Die Bildung solcher Biofilme ist eine wichtige bakterielle Strategie, um Behandlungen zu widerstehen.

Die dichten, geschichteten Kolonien schützen Bakterien vor Immunzellen und verringern die Wirksamkeit von Antiseptika und Antibiotika. „Sobald sich ein Biofilm bildet, wirkt seine Struktur als Barriere, sodass Medikamente nur schwer eindringen und die Bakterien abtöten können“, erklärt Dr. Chisato Takahashi, leitender Forscher am National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST). Die außergewöhnliche Widerstandsfähigkeit der Biofilme hat Forscher dazu motiviert, nach innovativen Lösungen jenseits traditioneller Antibiotika zu suchen.

In ihrem kürzlich veröffentlichtes Papier im Journal NanoskalaEin Team von Wissenschaftlern des Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) und des AIST hat einen neuartigen Ansatz zur Bekämpfung behandlungsresistenter Bakterien entwickelt.

Um die Mängel herkömmlicher Antibiotika zu überwinden, entwickelten die Forscher einen einzigartigen Nanopartikel, der mehrere Mechanismen zur Abtötung der Bakterien kombiniert.

„Wir haben unsere Silberpartikel in einer Polymerhülle aus Soluplus eingekapselt und mit dem Antibiotikum Azithromycin versetzt. Diese innovative Einkapselungsstrategie macht die Nanopartikel stabil und verleiht ihnen eine hochwirksame antimikrobielle Wirkung“, sagt Dr. Takahashi.

Nachdem wir in einer früheren Studie die Stabilität dieser Nanopartikel nachgewiesen hatten, war es an der Zeit, ihre Wirksamkeit zu testen. „Wir haben uns für zwei bekannte Bakterien entschieden, die häufig problematische Krankenhausinfektionen verursachen: Escherichia coli und Staphylococcus epidermidis“, sagt Dr. Murali Mohan Jaligam, Postdoktorand an der Abteilung für Mikro-/Bio-/Nanofluidik des OIST und Erstautor der Studie.

Diese Bakterien sind dafür bekannt, dass sie hartnäckige Biofilme auf Oberflächen wie Kathetern und chirurgischen Implantaten bilden, was zu schweren, behandlungsresistenten Infektionen im menschlichen Körper führt. Antibiotika wirken hochspezifisch bei der Entfernung von Bakterien, was die verfügbaren Behandlungsmöglichkeiten bei bakteriellen Infektionen begrenzt, eine Einschränkung, die besonders kritisch wird, wenn sich Antibiotikaresistenzen entwickeln.

In diesen Situationen können die hochmodernen Nanopartikel herkömmlichen Methoden überlegen sein.

„Unsere Nanopartikel können einen Angriff mit doppelter Wirkung ausführen: Sie greifen Bakterienzellen sowohl mit Antibiotika als auch mit Silberionen an. Das einkapselnde Polymer sorgt für Stabilität und verhindert, dass die Nanopartikel verklumpen, was ihre Wirksamkeit erhöht“, sagt Prof. Amy Shen, Leiterin der OIST Micro/Bio/Nanofluidics Unit.

Nur durch die Kombination von Silber, Antibiotika und Polymer verliehen die Forscher ihren Nanopartikeln diese einzigartige Fähigkeit, bakterielle Biofilme zu durchdringen und zu zerstören.

„Nicht jedes Nanopartikel kann diesen Zweck erfüllen“, fügt Dr. Takahashi hinzu.

Erfolg visualisieren: Eine neue Methode zur Echtzeitüberwachung

Die Forscher verwendeten Rasterelektronenmikroskopie und optische Dichtemessungen, um zu beobachten, wie die Nanopartikel Biofilme zerstören. Diese Methoden sind zwar gut etabliert, können jedoch zeitaufwändig sein und erfordern eine Anfärbung der Probe mit speziellen Farbstoffen. Durch die Entwicklung laserinduzierter Graphenelektroden (LIG) konnte das Team bestehende technische Einschränkungen überwinden.

„Wir haben ein miniaturisiertes, hochempfindliches LIG-Elektrodensystem entwickelt, mit dem sich die Bakterienaktivität in Echtzeit überwachen lässt“, erklärt Dr. Jaligam. Diese Elektroden haben eine große Oberfläche, die Bakterien eine ideale Basis für die Bildung von Biofilmen bietet, und sind hochleitfähig, sodass sie den Fluss elektrischer Ladungen problemlos messen können.

Da zerfallende Bakterien ein anderes elektrochemisches Signal erzeugen als intakte Bakterien, kann die Elektrode den Zerfall der Bakterienzelle erkennen, wenn sich der elektrische Strom ändert. Diese Methode ist schneller und genauer als herkömmliche Methoden zur Beurteilung der antimikrobiellen Aktivität und funktioniert ohne Färbung der Bakterien.

„Unsere LIG-Sensortechnologie bietet eine effiziente, skalierbare und kostengünstige Lösung zur Erkennung und Bekämpfung bakterieller Kontamination und von Biofilmen“, bemerkt Prof. Shen. Diese Eigenschaften eröffnen mehrere Einsatzmöglichkeiten für Elektroden, beispielsweise bei der Krebsvorsorge. Nanopartikel haben auch über die Bekämpfung von Krankenhausinfektionen hinaus potenzielle Einsatzmöglichkeiten, beispielsweise bei der Beschichtung medizinischer Geräte, um die Bildung von Biofilmen von vornherein zu verhindern.

„Antibiotikaresistenzen stellen weiterhin eine große Bedrohung für die globale Gesundheit dar, doch Durchbrüche wie dieser bieten einen vielversprechenden Weg in die Zukunft. Unsere Studie zeigt das Potenzial kollaborativer, interdisziplinärer Forschung, um einige der dringendsten und komplexesten Herausforderungen anzugehen, denen wir derzeit in der modernen Medizin gegenüberstehen“, sagt Prof. Shen.