Innovative Materialien gegen Bakterien

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Ein Team der Universität Genf entwickelt neue Legierungen mit bakteriziden Eigenschaften, um antibiotikaresistente Keime zu bekämpfen.

Innovative Materialien gegen Bakterien
Bakterien sind zwar für die Biotechnologie von entscheidender Bedeutung, können aber auch schwere Krankheiten verursachen, die durch ihre zunehmende Resistenz gegen Antibiotika noch verschlimmert werden. Diese Dualität zwischen wirtschaftlichen Vorteilen und Infektionsrisiken macht deutlich, wie wichtig es ist, Wege zu finden, um ihre Entwicklung zu kontrollieren. Ein Team der Universität Genf entwickelt derzeit eine neue Generation von bakteriziden Legierungen mit einem breiten Spektrum an industriellen Anwendungen, die zur Behandlung von Kontaktflächen eingesetzt werden könnten, über die diese Krankheitserreger übertragen werden. Dieses Projekt wird von Innosuisse unterstützt. Es hat eine Laufzeit von 18 Monaten.

Die Resistenz gegen antimikrobielle Arzneimittel - wie Antibiotika und Virostatika - ist eine große Herausforderung für die Öffentliche Gesundheit. Laut der Weltgesundheitsorganisation (WHO) ist dieses Phänomen derzeit weltweit für 700.000 Todesfälle pro Jahr verantwortlich. Wenn keine Maßnahmen ergriffen werden, wird diese Zahl bis 2050 auf 10 Millionen pro Jahr ansteigen, mit dramatischen Folgen für die Öffentliche Gesundheit und die Wirtschaft.

Um die Forschung in diesem Bereich zu fördern und zu lenken, hat die WHO eine Liste von Krankheitserregern veröffentlicht, die als besonders bedrohlich für die menschliche Gesundheit gelten und daher vorrangig behandelt werden sollten. Dazu gehören Staphylococcus aureus und E. coli, die mit den häufigsten nosokomialen Infektionen in Verbindung gebracht werden, sowie Salmonellen. Kontaminierte Kontaktflächen (Geräte, Griffe, Treppengeländer) spielen bei der Übertragung eine entscheidende Rolle.

Um dies zu ändern, entwickelt ein interdisziplinäres Team der Abteilung für Quantenmaterie-Physik und der Abteilung für Mikrobiologie der wissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf derzeit neue Arten von Metalloberflächen mit bakteriziden Eigenschaften, die auf die betreffenden Krankheitserreger abzielen. Das Projekt wird von Innosuisse, der Schweizer Agentur für Innovationsförderung, unterstützt und dauert 18 Monate. Ziel ist es, die vielversprechendsten Metalllegierungen und ihre potenziellen Anwendungen zu identifizieren.

Bestehende Materialien sind nicht mehr zeitgemäß

’Seit der Antike ist bekannt, dass z. B. Kupfer und Silber solche Eigenschaften haben. Keime werden jedoch immer resistenter gegen diese Materialien. Außerdem sollen die vorhandenen Materialien eine gewisse Toxizität für den Menschen aufweisen. Daher ist es entscheidend, neue bakterizide Oberflächen zu entwerfen’, erklärt Jorge Cors, Referent in der Abteilung für Physik der Quantenmaterie an der naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf und Mitverantwortlicher des Projekts.

Dies gilt vor allem für die als prioritär identifizierten Pathogene", erklärt Karl Perron, Lehrbeauftragter an der Abteilung für Mikrobiologie der naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf und Mitverantwortlicher des Projekts. Diese Bakterien haften leicht an vielen Metalloberflächen, häufen sich an und bilden einen Biofilm, der ein klebriges Material absondert. Dieser ’’Klebstoff’’ schützt ihre Hülle und macht sie widerstandsfähiger als andere Bakterien.

Diese bakteriellen Biofilme können sich z. B. in den Mikrohohlräumen der Markierung von chirurgischen Instrumenten und Implantaten bilden. Diese sind so klein, dass sie den herkömmlichen Desinfektionsprozessen entgehen. Bakterien können sich von ihnen ablösen und die operierte oder implantierte Person infizieren. Ihr schützender ’Klebstoff’ bewahrt sie vor Immunreaktionen und Antibiotika.

Neuartige Oberflächen dank Nanotechnologie
Die neuen Materialien, an denen das Team der Universität Genf arbeitet, bestehen hauptsächlich aus Titanlegierungen, die mit nanoskopischen Strukturen versehen sind, die für das bloße Auge unsichtbar sind. Diese sogenannten ’nanostrukturierten’ Oberflächen sind in der Lage, die Zellhülle von Krankheitserregern zu beschädigen. Die Herausforderung besteht darin, die beste Kombination aus verschiedenen Metallen und Legierungen zu finden, um revolutionäre bakterizide Oberflächen herzustellen", sagt Jorge Cors.

Jedes neue Material wird im Kontakt mit Prioritätsbakterien getestet. ’Wir haben bereits mehrere funktionierende Legierungen identifiziert, die sehr vielversprechend sind. Die Machbarkeitsstudie ist also abgeschlossen. Jetzt geht es darum, die potenziellen Anwendungen dieser neuen Materialien zu bewerten, indem wir insbesondere ihre Toxizität auf gesunde menschliche Zellen und die Dauer ihrer Wirkung testen’, erklärt Karl Perron.

’Dies ist ein gutes Beispiel für eine interdisziplinäre Forschung, die Techniken und Kenntnisse aus der Forschung über elektronische Materialien nutzt. Sie geht auf ein Problem der Öffentlichen Gesundheit ein, indem sie innovative Legierungen entwickelt, die Bakterien anziehen und einfangen können, um sie gezielt zu zerstören’, freut sich Christoph Renner, ordentlicher Professor am Departement für Physik der Quantenmaterie, Leiter der Forschungsgruppe Rastersondenmikroskopie und -spektroskopie und Vizedekan der naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf.

Diese Oberflächen könnten zur Markierung von chirurgischen Instrumenten und Implantaten verwendet werden, insbesondere unter Einsatz der metallurgischen Schreibtechnologie, die an der Abteilung für Quantenmaterie-Physik der Universität Genf entwickelt wurde. Sie könnten auch zur Beschichtung von Kontaktflächen im Alltag verwendet werden, um die Bildung von bakteriellen Biofilmen zu verhindern, sowie zur Behandlung von Leitungen und Filtern in der Lebensmittelindustrie, die direkt von der Infektionsgefahr betroffen ist. Die Wissenschaftler werden einen Katalog möglicher bakterizider Legierungen zusammenstellen - wobei nicht alle Legierungen gegen dieselben Bakterien wirksam sind -, um diese Forschung in gezielte industrielle Anwendungen umzusetzen.

15. Feb. 2024