Biofilm: Neuartige Oberflächen könnten Krankheitserreger ausbremsen

Biofilm: Neuartige Oberflächen könnten Krankheitserreger ausbremsen
Ablagerungen auf Kathetern bestehen aus Kalziumkristallen, Biofilmmaterial mit Bakterien, roten Blutkörperchen und Immunzellen (grüngelb) – © Empa

Biofilme sind enorm widerstandsfähige Ansammlungen von Keimen, die besonders in Spitälern zum Problem werden können. Wie ein einziges großes Lebewesen breiten sie sich auf Wunden aus oder besiedeln Implantate und Medizinprodukte.

  • Datum:
    06.08.2019
  • Autor:
    R. Klose (mh/ktg)
  • Quelle:
    Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

Ein Team aus Empa-Forschern und Medizinern vom Kantonsspital St. Gallen arbeitet zurzeit an einem Projekt, das das Risiko von Spitalinfektionen senken soll: Biomedizinische Materialien mit neuartigen Oberflächen sollen den Krankheitserregern Einhalt gebieten.

Der Fokus liegt dabei auf der Analyse von Biofilmen, also Ansammlungen von Keimen auf Oberflächen, die sich etwa in Harnkathetern ausbreiten. Bisher war weitgehend unbekannt, was eigentlich im Inneren eines Katheters wächst.

Rückstände aus Harnleitersstents untersucht

St. Galler Spitalärzte und die Forscherin Qun Ren von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt untersuchten die Rückstände aus Harnleitersstents von knapp 90 Patienten. "Wird ein derartiger Stent eingesetzt, treten jedoch häufig Beschwerden und Harnwegsinfekte auf", sagt Ren. So auch bei den untersuchten Patienten: Nach einer vergleichsweise kurzen Verweildauer im Körper von rund drei Wochen hatten sich in den Schläuchen nicht nur Kalziumkristalle aus dem Urin abgelagert, die Forscherin fand in den Proben auch Bakterienansammlungen. "Auf der Materialoberfläche hatten sich Biofilme gebildet, aus denen sich Bakterien anzüchten liessen", so die Forscherin.

Zusammenlebende Bakterien schützen sich gut

Dank einer gelartigen Schicht aus Biopolymeren sind die zusammenlebenden Bakterien geschützt, beweglich und miteinander verbunden. Sie tauschen nützliche Erbgutstücke untereinander aus, kommunizieren über chemische Signale und melden an die Oberfläche, wenn die tieferen Schichten 'Hunger leiden'. Antibiotika und Desinfektionsmittel durchdringen den Film kaum, und bei Bedarf senden gründen Biofilme weitere Kolonien, einem metastasierenden Tumor gleich.

Laborbedingungen denen im Spital angleichen

"Um die Bakterien zu bekämpfen, muss man daher bereits den Prozess der Anheftung verhindern", so Ren. Die Analysen im Labor wurden so realitätsnah wie möglich gestaltet: Katheter-Modelle werden im Bioreaktor von Flüssigkeiten durchspült, wie es einem echten Harnleitersstent im Körperinneren widerfährt. Untersuchungen aller vorhandenen Mikroorganismen mittels Konfokalmikroskopie, Bakterienkultur und Erbgutanalyse folgen. Gleichzeitig werden die mit Kalziumkristallen bewachsenen Materialienoberflächen mittels Röntgenanalyse charakterisiert.

Art der Besiedelung sehr unterschiedlich

Es zeigte sich, dass manche Erregerarten oft gemeinsam in einer bestimmten Gruppe auftreten. So wiesen manche Patienten vor allem schädliche Enterobakterien in ihren Proben auf, während andere beispielsweise über Erregerarten wie Milchsäurebakterien verfügten, denen man eine möglicherweise schützende Wirkung zuschreibt.

Wie diese Erregergruppen der Patienten mit dem Risiko einer Spitalinfektion zusammenhängen, werden die Forscher nun untersuchen. Ebenfalls wird derzeit eine spezielle Ausstattung von Oberflächen für bestimmte Keimträger diskutiert. In einem nächsten Schritt will das Team nun Proben von Langzeitbehandlungen und infizierten Patienten unter die Lupe nehmen.