29.10.2019

Kampf den Keimen

Haftung von Krankenhauskeimen lässt sich durch geschickt gewählte Nanostrukturen deutlich reduzieren.

Wissenschaftler der Universität des Saarlandes und des Karlsruher Instituts für Technologie haben gemeinsam heraus­gefunden, wie Bakterien auf – in mikroskopischen Maßstäben – rauen Oberflächen haften. Das Team aus den Disziplinen Physik, Mikrobiologie und Mathematik entdeckte, dass man aus der genauen Analyse der Beschaffenheit nano-strukturierter Oberflächen die Haftkraft direkt ableiten kann. Damit eröffnen sich vielversprechende neue Forschungs­ansätze, auch für den Kampf gegen multiresistente Keime, die vor allem in Kranken­häusern eine Gefahr darstellen. 
 

Abb.: Je rauer einer Oberfläche auf Nanoebene ist, desto schlechter können...
Abb.: Je rauer einer Oberfläche auf Nanoebene ist, desto schlechter können Bakterien auf ihr haften. (Bild: T. Faidt / AG Jacobs)

Bakterien der Art Staphylococcus aureus sind eine der Hauptursachen für im Krankenhaus erworbene Infektionen. Diese Krankheits­erreger sind so gefürchtet, weil sie auf natürlichen und künstlichen Oberflächen sehr robuste Biofilme bilden können, die nur sehr schwer zu entfernen sind. Innerhalb dieses Biofilms sind die einzelnen Bakterien sehr effektiv vor verschiedenen Substanzen wie zum Beispiel Antibiotika geschützt, weshalb sie nur sehr schwer zu bekämpfen sind. Ein Ansatz zur Infektions­prävention besteht daher darin, die Bildung von Biofilmen bereits im Vorfeld zu verhindern. Dazu muss man aber zuerst die Mechanismen genau verstehen, mit denen Bakterien an verschieden­artigen Materialien haften. In der Praxis sind vor allem Oberflächen mit Topographien im Nanobereich, wie beispielsweise Türgriffe oder künstliche Implantate, weit verbreitet, deren unregelmäßige, raue Struktur einer bizarren Landschaft aus Bergen und Tälern ähnelt. 

In einer früheren Studie fand das Team der Universität des Saarlandes unter der Leitung der Experimental­physikerin Karin Jacobs und des Mikrobiologen Markus Bischoff heraus, dass die Bakterien an festen Oberflächen haften, indem viele einzelne Moleküle aus der Bakterien­zellwand den Kontakt zur Oberfläche herstellen. Diese Moleküle schwanken temperaturbedingt in ihrer Größe; ihr Längen­unterschied kann dadurch etwa fünfzig Nanometer umfassen.

In einer neuen Studie haben die Wissenschaftler nun untersucht, wie genau die Haftkraft der einzelnen Moleküle mit der Topographie der Oberflächen zusammenhängt, auf denen das Bakterium sich anzuhaften versucht. Dazu haben die Wissenschaftler Silizium­oberflächen mit Nanostrukturen unterschiedlicher Größe, aber in der gleichen Größen­ordnung wie die bindenden Zellwand­moleküle hergestellt.

Anschließend maßen sie die Kräfte, mit denen einzelne Bakterien­zellen an diesen nanostrukturierten Oberflächen haften. Sie fanden in diesen Experimenten heraus, dass die Adhäsionskräfte mit zunehmender Größe der Nanostrukturen abnehmen. Parallel dazu analysierte der Mathematiker Michael A. Klatt aus Karlsruhe (jetzt an der Princeton University) die Siliziumsubstrate sehr genau und übersetzte die Oberflächen­topographien in spezifische mathematische Maße, die als Minkowski-Funktionale bezeichnet werden – das Verfahren wird als „Morphometrie“ bezeichnet.

Gemeinsam zeigten die Teams, dass die experimentell gemessene Stärke der Kraft durch geometrische Parameter aus der Morphometrie erklärt werden kann. Vereinfacht gesagt: Nimmt die Rauheit der Oberfläche zu, stehen viele „Täler“ der Oberfläche nicht als Adhäsions­fläche zur Verfügung, da sie tiefer liegen als die fluktuierenden Moleküle. Somit geht die Haftkraft der Bakterien im gleichen Maße zurück.

Daraus resultiert ein wichtiges Ergebnis der Studie: Eine optimierte Nano­strukturierung kann die Adhäsion von Bakterien minimieren und damit die Wahrscheinlichkeit der Biofilm­bildung verringern. Die Wissenschaftler weisen darauf hin, dass sich ihr Ergebnis auf verschiedene Arten von Bakterien und unterschiedliche Arten von Materialien übertragen lässt. Die Resultate können daher helfen, neue Materialien zu entwickeln und zu modifizieren, die die Bakterien­anhaftung und die Bildung von Biofilmen verhindern können. 

Darüber hinaus zeigt die Studie das hohe Potenzial der Minkowski-Funktionale zur Analyse der Topographie eines breiten Spektrums von Materialien. Aufgrund dieser Anwendungs­breite erwarten die Wissenschaftler, dass die Minkowski-Funktionale als zukünftiger Goldstandard zur Beschreibung von Oberflächen genutzt werden.

U. Saarland / DE
 

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