Hoffnung im Kampf gegen die «stille Pandemie»: Innovative Sensoren spüren Superkeime auf

Antibiotikaresistente Bakterien entwickeln sich zu einer ernsten Gefahr für die globale Gesundheitsversorgung. Infektionen, die einst routinemässig behandelt werden konnten, werden zunehmend schwer therapierbar und können lebensbedrohlich werden. Schätzungen zufolge könnte die Zahl der Todesfälle durch multiresistente Erreger im Jahr 2028 das Niveau vor der Entdeckung des Penicillins erreichen, verbunden mit enormen wirtschaftlichen Belastungen. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) warnt eindringlich vor dieser Entwicklung und bezeichnet die Ausbreitung resistenter Keime als eine der grössten Bedrohungen für die Menschheit. Dabei propagiert die WHO als schnelle Lösung die Impfung.

Ein wesentlicher Faktor für die Entstehung von Resistenzen ist der oft unkritische Einsatz von Antibiotika, ohne vorherige Identifizierung des spezifischen Erregers. Zeitaufwendige Diagnoseverfahren führen dazu, dass in Notfallsituationen häufig auf eine genaue Labordiagnose verzichtet wird. Dies kann zur Folge haben, dass eine Therapie unwirksam bleibt und die Entwicklung weiterer Resistenzen gefördert wird. Um dieser Problematik entgegenzuwirken, arbeiten Forschende der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) gemeinsam mit klinischen Partnern an neuartigen diagnostischen Werkzeugen. Ihr Ziel ist die Entwicklung von Sensoren, die resistente Erreger schnell und präzise nachweisen können, um so eine frühzeitige und massgeschneiderte Behandlung zu ermöglichen.

Sensor mit fluoreszierendem Licht

Ein vielversprechender Ansatz ist die Entwicklung eines Sensors für Lungenentzündungen, insbesondere ausgelöst durch den multiresistenten Keim «Klebsiella pneumoniae». Empa-Forscherin Giorgia Giovannini entwickelt in Zusammenarbeit mit dem Kantonsspital St. Gallen einen Sensor, der bei einer Infektion mit diesem Bakterium fluoreszierendes Licht aussendet. Der Sensor reagiert dabei auf das von den Bakterien produzierte Enzym Urease. Im Rahmen des Projekts «Doorstep» nutzen die Forschenden Polymerpartikel, die einen fluoreszierenden Farbstoff umschliessen. Wird das Polymer durch bakterielle Urease abgebaut, beginnt der Farbstoff zu leuchten. Diese Diagnosemethode soll mit einem einfachen Rachenabstrich oder einer Sputumprobe funktionieren und die Bestimmung des Erregers einer Lungenentzündung innerhalb weniger Stunden statt Tagen ermöglichen.

Auch im Bereich infizierter Wunden, die nicht nur lokale Schäden verursachen, sondern auch ideale Bedingungen für die Entwicklung und Ausbreitung antibiotikaresistenter Keime darstellen, werden innovative Sensorlösungen entwickelt. Ein Team um die Empa-Forschenden Luciano Boesel und Giorgia Giovannini arbeitet gemeinsam mit dem Kantonsspital St.







Gallen an einem intelligenten Multisensorverband. Dieser basiert auf Silica-Nanopartikeln, die in ein biokompatibles Hydrogel integriert sind. Die Nanopartikel werden mit Substanzen funktionalisiert, die spezifische Stoffwechselprodukte bestimmter Bakterien detektieren können.

So sollen die Sensoren auf gefürchtete Wundkeime wie «Staphylococcus aureus» reagieren und Veränderungen des pH-Werts in der Wunde anzeigen. Zudem soll das Risiko einer Antibiotikaresistenz frühzeitig erkennbar sein. Da viele resistente Wundkeime das Enzym Beta-Lactamase produzieren, das bestimmte Antibiotika unwirksam macht, enthält der Sensor Farbstoffe, die durch dieses Enzym gespalten werden. Produzieren resistente Bakterien das Enzym, leuchtet der Sensor unter UV-Licht auf und ermöglicht so eine schnelle und kostengünstige Diagnose sowie eine personalisierte Wundbehandlung. Dieses Projekt wird durch grosszügige Spenden verschiedener Stiftungen unterstützt.

Verfahren mit magnetischen Nanopartikeln

Ein weiterer Fokus der Forschung liegt auf dem Nachweis von «Pseudomonas aeruginosa», einem Bakterium, das häufig Harnwegsinfektionen verursacht und ebenfalls oft Resistenzen aufweist. Ein Forschungsteam der Empa und der ETH Zürich hat hierfür ein Verfahren mit magnetischen Nanopartikeln entwickelt. Diese Partikel sind an Eiweissbausteine gekoppelt, die spezifisch an «Pseudomonas aeruginosa» binden, sodass die Bakterienzellen mithilfe eines Magnetfelds gezielt aus Urinproben isoliert werden können.

In einem nächsten Schritt wird die Empfindlichkeit der isolierten Bakterien gegenüber verschiedenen Antibiotika mittels eines Chemilumineszenz-Verfahrens analysiert. Sind resistente Bakterien vorhanden, leuchtet die Probe auf; können die Keime durch Antibiotika abgetötet werden, bleibt es dunkel. «Alles in allem dauert der Resistenztest rund 30 Minuten - im Vergleich zu mehreren Tagen bei einer klassischen Anzucht von Bakterienkulturen», erklärt Qun Ren, Gruppenleiterin am «Biointerfaces»-Labor der Empa in St. Gallen. Dieses schnelle Verfahren ermöglicht eine zügige Auswahl der geeigneten Antibiotikatherapie und trägt somit zur Eindämmung der Resistenzentwicklung bei.

Empa Initiative «Research Booster»

Um den Kampf gegen antibiotikaresistente Bakterien zu intensivieren, hat die Empa den «Research Booster» Antibiotikaresistenz ins Leben gerufen. In dieser interdisziplinären Initiative arbeiten mehrere Empa-Labore eng mit Spitalpartnern zusammen, um innovative Ansätze in der Diagnose, Therapie und Prävention von Infektionen mit resistenten Keimen voranzutreiben.

Die wachsende Zahl multiresistenter Bakterienarten stellt eine globale Herausforderung dar. Zu den Erregern, die im Zusammenhang mit Antibiotikaresistenzen zu zahlreichen Todesfällen führen, gehören unter anderem:

• Escherichia coli
• Staphylococcus aureus
• Klebsiella pneumoniae
• Streptococcus pneumoniae
• Acinetobacter baumannii
• Pseudomonas aeruginosa

Der unüberlegte und übermässige Einsatz von Antibiotika trägt massgeblich zur Ausbreitung dieser Superkeime bei. Im Jahr 2019 wurden weltweit rund fünf Millionen Todesfälle mit antibiotikaresistenten Erregern in Verbindung gebracht. Angesichts dieser alarmierenden Zahlen hat die Weltgesundheitsorganisation (WHO) die Bekämpfung von Antibiotikaresistenzen zu einer globalen Priorität für Forschung und Entwicklung erklärt.