Antibiotika-Resistenzen – was tun?

Infektionsmodell der Haut: Histologischer Schnitt durch ein im Reagenzglas hergestellten Hautmodells, das mit Candida albicans infiziert ist – also mit einem häufigen humanpathogenen Pilz. Violett: Candida albicans, Blau: Hautmodell.

Antibiotika-Resistenzen – was tun?

Antibiotika-resistente Keime versetzen Klinikpersonal und Patienten ständig aufs Neue in Panik – und kosten immer wieder Menschenleben. Das Problem: Die gängigen Antibiotika sind diesen Keimen nicht gewachsen, die Behandlung läuft oftmals ins Leere. Forscher suchen daher nach neuen Möglichkeiten, der mutierten Bakterien und Pilzen Herr zu werden.


Die Mandeln schmerzen bei jedem Schlucken? Man rennt ständig aufs Klo, das Wasserlassen brennt? Bei solchen Entzündungen greifen Mediziner zum Breitbandantibiotikum – der Patient ist bald wieder wohlauf. Zunehmend allerdings tauchen Bakterien und Pilze auf, denen die üblichen Breitbandantibiotika nichts anhaben können, sie sind resistent. Besonders problematisch ist das in Krankenhäusern. Zwar versucht das Klinik-Personal nach Kräften, ihnen durch gründliche Hygiene Einhalt zu gebieten. Dennoch kommt es immer wieder zu Krankheits-Ausbrüchen.

Ein Beispiel sind Acinetobacter-Bakterien. Gelangen sie in den Körper der Patienten und infizieren ihn, vergiften sie das Blut – das Leben des Menschen schwebt in höchster Gefahr. Auch der multiresistente »Klinik-Keim« MRSA – kurz für Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus – hat traurige Berühmtheit erlangt. Das Tückische: Die Resistenzen des Bakteriums variieren. Bei der Wahl des passenden Antibiotikums stochern die Ärzte daher oft im Dunkeln. Man muss ständig neu überprüfen, welche Resistenzen vorliegen – und wie man den Keim zu packen kriegt. Ist ein Patient infiziert, zählt jede Minute: Welche Resistenzen weist das Bakterium auf? Sprich: Welches der zahlreichen Antibiotika hilft?

Resistenzen aufspüren

Um den Resistenzen der Erreger auf die Spur zu kommen, arbeiten einige Kliniken mit dem Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart zusammen. Die Anzahl der verschiedenen Resistenzen ist riesig: Rund 60 bis 80 verschiedene Resistenzen sind bekannt. Oftmals zeigt ein Bakterium nicht nur eine einzige Resistenz, sondern zahlreiche – man spricht dabei auch von multiresistenten Erregern. »Finden wir heraus, welche Resistenzen ein Bakterium oder ein Pilz aufweist, können die Ärzte den erkrankten Patienten gezielt behandeln – und ihm ein Antibiotikum verabreichen, gegen das die Erreger nicht resistent sind«, erläutert Prof. Dr. Steffen Rupp, Abteilungsleiter und stellvertretender Institutsleiter am IGB.

Die Forscher am IGB erhalten von den Kliniken Patientenproben, in denen resistente Bakterien enthalten sind. Meist sind dies Blutproben, aber auch Abstriche oder Wundsekret sind möglich. Die Gründe für die Resistenzen verbergen sich entweder in Plasmiden – also DNA, die jedoch nicht zum ursprünglichen Teil des Genoms gehört und autonom in den Bakterien- oder Pilzzellen existiert. Oder aber sie entstehen durch Mutationen im Genom des Übeltäters. Die Forscher isolieren daher die Plasmide oder die Bakterien-DNA aus den Patientenproben, vervielfältigen sie und identifizieren die Reihenfolge ihrer einzelnen Bausteine. Diese Abfolge vergleichen sie über eine spezielle Software mit der DNA-Sequenz der bekannten Resistenzen. Welche dieser Resistenzen verbergen sich im Genom? Etwa ein bis vier Stunden später ist die Analyse geschafft: Dann haben die Mediziner Gewissheit, welches Antibiotikum dem Patienten helfen wird.

Neue Antibiotika entwickeln

Hilfe versprechen sich Experten auch von neuen Antibiotika, gegen die die Keime noch keine Resistenzen entwickeln konnten. Die Forscher am IGB bauen daher Screening-Systeme auf, die bei dieser Suche helfen sollen. Zunächst bringen die Wissenschaftler menschliches Gewebe mit resistenten Bakterien oder Pilzen zusammen – sie infizieren das Gewebe also. Dann tragen sie ganze Wirkstoff-Bibliotheken auf, die zehntausende von Komponenten umfassen. Damit die Forscher später zuordnen können, welcher Wirkstoff wo aufgebracht wurde, nutzen sie Mikrowell-Platten – in ihnen sind zahlreiche kleine »Töpfchen« neben-, vor- und hintereinander aufgereiht.

Nach mehreren Tagen geben die Forscher einen Fluoreszenzfarbstoff zu den Proben. Dieser wird nur von den menschlichen Gewebezellen umgesetzt. Das heißt: Leuchtet die Substanz in einem Töpfchen, leben die menschlichen Zellen. »Damit haben wir quasi zwei Screenings in einem«, freut sich Rupp. »Denn wenn die Zellen leben, wissen wir zum einen, dass der Wirkstoff die Keime zerstört hat. Andernfalls hätten sie die menschlichen Zellen überwuchert und abgetötet. Zum anderen können wir so die Toxizität des Wirkstoffes überprüfen: Leben die Zellen, hat der Wirkstoff ihnen nicht allzu sehr geschadet.« Kurzum: Leuchtet eine Probe, besteht die Hoffnung auf einen neuen Wirkstoff.

In diesem Fall stellen die Forscher größere Mengen des Wirkstoffs her und machen Konzentrationsreihen: Wie viel Wirkstoff braucht man, um den Erreger zuverlässig abzutöten? Ab welcher Dosierung nehmen die menschlichen Zellen Schaden? Allerdings braucht es bei dieser Arbeit viel Geduld: Wenn die Wissenschaftler einen interessanten Wirkstoff finden und dieser alle folgenden Tests besteht, dauert es noch ganze fünf bis zehn Jahre, bis er Patienten helfen kann.

Wirkstoffe aus Krabbeltieren

© Foto Andreas Vilcinskas/Fraunhofer IME

Asiatische Marienkäfer.

So weit, so gut. Doch woher wissen die Forscher, welche Wirkstoffe überhaupt für ein Screening in Frage kommen? Woher nehmen sie die Ideen für neue Wirkstoffe? »Aus der Natur«, lautet die Antwort von Forschern am Gießener LOEWE-Zentrum für Insektenbiotechnologie und Bioressourcen – einer Kooperation des Fraunhofer-Instituts für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME und der Justus-Liebig-Universität JLU und der Technischen Hochschule Mittelhessen THM. Genauer gesagt folgen die Wissenschaftler Vorbildern, die die meisten Menschen nicht allzu possierlich finden dürften: Dem Totengräberkäfer, den Rattenschwanzlarven der Mistbiene oder den Maden der Goldfliege. Kurzum: Insekten und Krabbeltieren jeglicher Art.

Welche Wirkstoffe tragen diese Tierchen in sich, die multiresistente Keime abtöten könnten? Dies wollen die Wissenschaftler gemeinsam mit den Kollegen des Pharmakonzerns Sanofi herausfinden. Ein großes gemeinsames Team, das bei Sanofi in Frankfurt beheimatet ist, soll diese Frage beantworten. »Statt im Trüben zu fischen, verfolgen wir den wissensbasierten Ansatz: Die Natur hat für fast alle Probleme bereits Lösungen. Wir wollen daher von ihr lernen und die Erkenntnisse in neue Produkte umsetzen«, erläutert Prof. Dr. Rainer Fischer, der das Fraunhofer IME leitet. Dazu nehmen die Forscher um Prof. Vilcinskas in Giessen Startmaterial von den Insekten, vermehren es in Kulturen und überprüfen, ob die enthaltenen Wirkstoffe pathogene Keime abtöten.

Naturstoffe für die Biotechnologie

Noch immer sind die meisten Geheimnisse der Insekten unerforscht. Die Wissenschaftler der Projektgruppe Bioressourcen vom Fraunhofer IME versuchen unter Leitung von Prof. Vilcinskas, den Artenreichtum von Insekten für den Menschen nutzbar zu machen. Besonders in der Medizin könnten die Fähigkeiten von Insekten von Bedeutung sein.

Biofilme – Tummelplatz für Bakterien

Makroalgen in Nahaufnahme
© Foto Fraunhofer EMB

Makroalgen in Nahaufnahme

Möchte man den resistenten Keimen Einhalt gebieten, kann man Biofilme nicht außer Acht lassen. Diese bilden sich auf fast allen Oberflächen, sei es auf Steinen und Hauswänden, Türklinken an Krankenhäusern oder auch auf der menschlichen Haut und auf Zähnen. Überall dort wimmelt es nur so von Bakterien und Pilzen. Soweit ist das erst einmal nichts Besonderes. Allerdings sind in diesen Biofilmen immer wieder auch resistente Bakterien enthalten. Gesunden Menschen können sie nichts anhaben. Treffen sie dagegen auf einen geschwächten Organismus, vermehren sich die resistenten Keime explosionsartig – ohne dass ein Antibiotikum groß etwas dagegen ausrichten könnte.

Forscher der Fraunhofer-Einrichtung für Marine Biotechnologie EMB scheinen nun ein Mittel gefunden zu haben, das die Ausbildung solcher Biofilme verhindert. »Wir haben gemeinsam mit unseren Kollegen der Universität Lübeck und der Fachhochschule Lübeck bestimmte Substanzen aus Makroalgen isoliert und ihre Wirkung auf multiresistente Keime untersucht«, erklärt Dr. Ronny Marquardt, Arbeitsgruppenleiter am EMB. Dazu haben die Forscher verschiedene Stoffklassen aus den Algen isoliert – sie enthielten jeweils ein Gemisch von wenigen bis zu hunderten Substanzen. Das Ergebnis: Gibt man diese isolierten Stoffklassen auf eine Oberfläche, bildet sich kein Biofilm aus. Die Algensubstanzen können die Biofilmbildung also vermeiden. Welche Substanzen genau wirken – oder ob es vielmehr eine Kombination aus mehreren Substanzen ist, die Wirkung zeigt – untersuchen die Wissenschaftler momentan.

Auch ist bislang noch nicht klar, über welchen Mechanismus die Substanzen wirken. Und: Gibt es einen Mechanismus, der nur auf die multiresistenten Keime wirkt, die »guten« Bakterien jedoch unbehelligt wachsen lässt? Was den Türdrücker im Krankenhaus angeht, wäre es egal, wenn alle Bakterien zerstört würden. Möchte man damit jedoch auch die Hände von Personal und Patienten behandeln, wäre es sinnvoll, nur die resistenten Keime an ihrer Vermehrung zu hindern. Denn hindert man alle Keime in ihrem Wachstum, wäre das für die Hautflora nicht unbedingt optimal. In etwa drei Jahren könnten die Substanzen aus den Algen Oberflächen wie die Türdrücker und Böden schützen – als Zugabe zum Putzmittel. Was die Anwendung auf der Haut angeht, muss man indessen eher fünf bis zehn Jahre rechnen.

  • Fraunhofer-Einrichtung für Marine Biotechnologie EMB / Aquakultur

Insekten als Vorbild: Wie tötet man Biofilme ab?

Auch die Forscher am Gießener LOEWE-Zentrum versuchen, Biofilmen den Garaus zu machen. Dabei nehmen sie Insekten genauer unter die Lupe, deren Nachkommen sich in Biofilmen entwickeln und überleben. Die Brut produziert einen speziellen Enzymcocktail, das den Biofilm abbaut. »Diese Enzyme bieten vielfältige Chancen im medizinischen Bereich«, ist sich Fischer sicher. »Denn in Biofilmen erreichen medizinische Wirkstoffe nur die äußeren Schichten. Wird der Biofilm durch das Enzym dagegen angedaut, können wir besser gegen die Bakterien in tieferen Schichten vorgehen und pathogene Erreger vernichten.«

Die Enzyme haben die Wissenschaftler am LOEWE-Zentrum bereits gentechnisch isoliert, auch konnten sie zeigen, dass das Verfahren grundsätzlich funktioniert. Bis die Enzyme in Kliniken eingesetzt werden können, dürften allerdings noch etwa zehn Jahre ins Land gehen. Die Anwendungsmöglichkeiten der Enzyme sind dabei nicht auf multiresistente Keime beschränkt. So wollen die Forscher auch dem bekanntesten Biofilm an den Kragen: Und zwar dem Zahnbelag. Dieser Biofilm besteht aus rund 500.000 Mikroben. Nicht alle davon sind schädlich – nur diejenigen, die den Säuregrad senken, führen zu Karies. »Könnte man diese Keime hemmen, würde trotz Zahnbelag kein Karies entstehen«, erläutert Fischer.