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Krankenhausinfektionen: Wie bilden sich Biofilme?

Biofilme sind enorm widerstandsfähige Ansammlungen von Keimen, die besonders in Krankenhäusern zum Problem werden können. Wie ein einziges großes Lebewesen breiten sie sich auf Wunden aus oder besiedeln Implantate und Medizinprodukte. Biomedizinische Materialien mit neuartigen Oberflächen sollen den Krankheitserregern Einhalt gebieten.

Ein Team aus Empa-Forschern und Medizinern vom Kantonsspital St. Gallen arbeitet zurzeit an einem Projekt, das das Risiko von Krankenhausinfektionen senken soll. Der Fokus liegt dabei auf der Analyse von Biofilmen, Ansammlungen von Keimen auf Oberflächen, die sich etwa in Harnkathetern ausbreiten. Will man Materialien konzipieren, die das Entstehen von Biofilmen unterbinden, muss jedoch zuerst geklärt werden, wie es überhaupt zum gefährlichen Keimwachstum kommt.

Bild: Ein Forscherin mit Brille und dunklen Haaren schaut durch ein Mikroskop; Copyright: Empa

Empa-Forscherin Qun Ren analysiert mikrobiologische Proben aus Harnleiter-Stents in einer Mikrofluidik-Strömungskammer unter dem Mikroskop.

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Bild: Kanülen in einer Vitrine; Copyright: Messe Düsseldorf

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Die Empa-Forscherin Qun Ren ist den Geheimnissen im Inneren von Polymerschläuchen auf der Spur. Gemeinsam mit den St. Galler Ärzten untersuchte sie die Rückstände aus Harnleiterschienen von knapp 90 Patienten. Die Verwendung eines Stents im Harnleiter ist eine gängige Prozedur, etwa bei der Behandlung von Nierensteinen. "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 Calciumkristalle 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.

Und genau mit diesen Biofilmen halten die Wissenschaftler das vermutlich erfolgreichste Lebewesen der Welt in Händen: Ansammlungen von Bakterien, eingebettet in eine selbst produzierte schleimige Matrix, die sich wie ein einziger großer Organismus verhält. Dank der gelartigen Schicht aus Biopolymeren sind die zusammenlebenden Bakterien geschützt, beweglich und miteinander verbunden. Munter tauschen sie nützliche Erbgutstücke untereinander aus, kommunizieren über chemische Signale und melden an die Oberfläche, wenn die tieferen Schichten der "WG" Hunger leiden. Antibiotika und Desinfektionsmittel durchdringen den Film kaum, und bei Bedarf senden sie einen Trupp von Pionieren an einen neuen Ort und gründen weitere Kolonien, einem metastasierenden Tumor gleich.

"Ein Schlüsselereignis bei der Entstehung eines Biofilms ist der Moment, wenn sich frei bewegliche Bakterien auf der Oberfläche anheften", erklärt Ren. "Um die Bakterien zu bekämpfen, muss man daher bereits den Prozess der Anheftung verhindern", so Ren.

Die Empa-Forscher haben daher ein mehrteiliges Labor-Modell entwickelt, die den Bedingungen im Krankenhaus so nah wie möglich kommen. Potenzielle Katheter-Kandidaten werden hierbei im Bioreaktor von Flüssigkeiten durchspült, wie es einer echten Harnleiterschiene im Körperinneren widerfährt. Untersuchungen aller vorhandenen Mikroorganismen mittels Konfokalmikroskopie, Bakterienkultur und Erbgutanalyse folgen. Gleichzeitig werden die mit Calciumkristallen bewachsenen Materialienoberflächen mittels Röntgenanalyse charakterisiert. "Nur wenn wir die Bakterien in den Biofilmen genau kennen, können wir sichere und hocheffiziente neue Materialien herstellen, die sich ihnen widersetzen", sagt Ren.

MEDICA.de; Quelle: Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt