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Stärke in Zahlen: Wie Biofilme Antibiotika überlisten

Bakterien sind überlebenswichtig, aber wenn sie Gemeinschaften bilden, können sie ernsthafte Verwüstungen anrichten und unsere Gesundheit gefährden.


Die Schutzkuppel eines Biofilms schützt Bakterien vor Antibiotika.

Wenn Bakterien zusammen strömen und eine Gemeinschaft bilden, spricht man von Biofilm. Biofilme sind auf der ganzen Welt zu finden - von Wüstengestein bis zu den Oberflächen von Gebäuden - ein wesentlicher Bestandteil der Natur.

Biofilme sind knifflige Biester, weil sie dazu neigen, gegen alle Arten von Bestrebungen, sie zu beseitigen, resistent werden. Dies ist eine schlechte Nachricht für jeden, der unter Erkrankungen wie Mukoviszidose, Parodontitis oder chronischen Wunden leidet. Medizinische Implantate und Katheter sind Hotspots für die Biofilmbildung.

Aber warum sind Biofilme so hartnäckig und was tun Ärzte und Wissenschaftler, um diese klugen mikrobiellen Gemeinschaften zu überlisten?

Was sind Biofilme?

"Biofilme sind eine der am weitesten verbreiteten und erfolgreichsten Lebensweisen der Erde", sagt Prof. Hans-Curt Flemming - Direktor des Instituts für Grenzflächen-Biotechnologie der Universität Duisburg-Essen in Deutschland - in einem 2016 veröffentlichten Artikel Nature Reviews Mikrobiologie.

Biofilme können aus Populationen derselben Bakterien oder aus Gemeinschaften bestehen, die wiederum aus vielen verschiedenen Arten bestehen, die alle unter einer schützenden Kuppel zusammenleben.

Diese Kuppel besteht aus einer sogenannten Matrix extrazellulärer polymerer Substanzen (EPS), die eine Mischung aus Zuckern, Proteinen, Fetten und DNA-Molekülen enthält.

Genauso wie menschliche Gemeinschaften haben Biofilme hoch spezialisierte Bereiche: Einige von ihnen sind für das Recycling von Nährstoffen verantwortlich, während andere neue EPS-Komponenten herstellen oder Nachrichten von einem Bereich des Biofilms an einen anderen senden.

Durch das enge Zusammenleben können Bakterien Ressourcen erfolgreicher teilen, als wenn sie sich in einem frei lebenden Zustand befinden. Entscheidend ist, dass sie herkömmliche Ausrottungsmethoden vermeiden können.

Ausrottung vermeiden

Prof. Flemming beschreibt Biofilme als "Festungen", die ihre Bewohner schützen. Bakterien, die vor Austrocknung und Antibiotika geschützt sind, lösen den Sturm der Interventionen, die auf sie geworfen werden, aus.

Interessanterweise können Antibiotika in vielen Fällen tatsächlich in einen Biofilm eindringen, aber das EPS schützt seine Bewohner aktiv vor solchen Verbindungen und fördert die Antibiotikaresistenz.

Durch die Biofilmresidenz können Bakterien mit Antibiotika-resistenten Genen diese leicht unter ihren Nachbarn mit einem sogenannten horizontalen Gentransfer teilen. Obwohl dies auch in frei lebenden Bakteriengemeinschaften der Fall ist, ist es bei Biofilmen wesentlich effizienter.

Dies führt dazu, dass Antibiotikaresistenzen sich wie ein Lauffeuer ausbreiten. Was können Ärzte bei Biofilm-Infektionen tun?

Der Kampf gegen Biofilme

Biofilme stellen eine ernsthafte Bedrohung für die Gesundheit dar, weshalb Ärzte im Kampf gegen sie aggressive Behandlungsmethoden einsetzen. Solche Behandlungen umfassen das chirurgische Entfernen des mit einem Biofilm infizierten Bereichs oder die Verwendung von Hochgeschwindigkeits-Wassersprays, um den Biofilm physikalisch zu zerstören, oft in Kombination mit Antibiotika.

Prof. Hyun Koo - Forschungsdirektor am Levy Center für Mundgesundheit an der School of Dental Medicine der University of Pennsylvania in Philadelphia - erklärt jedoch kürzlich in einem Übersichtsartikel, dass "das Töten der Bakterien den Biofilm nicht notwendigerweise ausrottet" . "

Wenn die EPS-Matrix intakt bleibt, können andere opportunistische Mikroben warten und sich niederlassen.

Die Forscher hoffen, Biofilme durch viele verschiedene Ansätze zu stören, darunter die gezielte Bildung des EPS oder die Verwendung von Enzymen, um dieses komplexe Geflecht abzubauen, die Kommunikation von Zelle zu Zelle zu unterbrechen und Nährstoffquellen zu hemmen.

Aufkommende Technologien

Viele glauben, dass der Weg zur Behandlung in der Prävention liegt. Die technologischen Fortschritte haben es den Forschern ermöglicht, neue Materialien zu entwickeln, die aktiv dazu bestimmt sind, Bakterien daran zu hindern, Biofilme anzulagern und zu bilden.

Das Endziel besteht darin, dass Bakterien daran gehindert werden, an der Oberfläche von medizinischen Implantaten und Kathetern zu haften, indem die Oberflächen mit Antibiotika beschichtet werden oder indem bestimmte topografische Oberflächenmerkmale aufgenommen werden, die von Natur aus bakterienfeindlich sind.

Eine davon wird als Sharklet-Mikrostruktur bezeichnet und ist von Haihaut inspiriert, die von Natur aus gegen Bakterienbesiedlung resistent ist. Forscher haben gezeigt, dass Bakterien in einem mikroskopisch kleinen Diamantmuster angeordnet sind. Bakterien haben sich nicht so gut an dieses Muster gehalten wie an glatten Oberflächen.

Zwar gibt es noch keine garantierten Behandlungen, um uns von Biofilmen zu befreien, aber die Forscher befassen sich zunehmend mit der komplexen Biologie, die diese mikrobiellen Gemeinschaften stützt. In der Zwischenzeit geht die Suche nach wirksamen Wegen zur Beseitigung dieser Bedrohung für unsere Gesundheit weiter.

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