Titan-Mikro

29. August 2023

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von Michael Quin, RMIT University

Eine neue Studie legt nahe, dass raue Oberflächen, die von den bakterienabtötenden Stacheln auf Insektenflügeln inspiriert sind, möglicherweise wirksamer bei der Bekämpfung arzneimittelresistenter Superbakterien, einschließlich Pilzen, sind als bisher angenommen.

Die steigenden Raten arzneimittelresistenter Infektionen bereiten Gesundheitsexperten weltweit Sorgen.

Um Infektionen im Bereich von Implantaten – etwa Titanhüften oder Zahnprothesen – zu vermeiden, verwenden Ärzte eine Reihe antimikrobieller Beschichtungen, Chemikalien und Antibiotika. Diese können jedoch antibiotikaresistente Stämme nicht stoppen und können sogar die Resistenz verstärken.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, haben Wissenschaftler der RMIT-Universität ein Muster aus Mikrospitzen entwickelt, die in Titanimplantate oder andere Oberflächen geätzt werden können, um einen wirksamen, medikamentenfreien Schutz vor Bakterien und Pilzen zu bieten.

Die in „Advanced Materials Interfaces“ veröffentlichte Studie des Teams testete die Wirksamkeit der veränderten Titanoberfläche bei der Abtötung von multiresistentem Candida – einem potenziell tödlichen Pilz, der für eine von zehn im Krankenhaus erworbenen Infektionen mit medizinischen Geräten verantwortlich ist.

Die speziell angefertigten Spitzen, die jeweils die Höhe einer Bakterienzelle haben, zerstörten kurz nach dem Kontakt etwa die Hälfte der Zellen.

Bezeichnenderweise wurde die andere Hälfte, die nicht sofort zerstört wurde, durch die erlittenen Verletzungen unbrauchbar gemacht und konnte sich nicht mehr fortpflanzen oder eine Infektion verursachen.

Der leitende Postdoktorand Dr. Denver Linklater sagte, die Stoffwechselanalyse der Proteinaktivität habe ergeben, dass sowohl die Zellen des Pilzes Candida albicans als auch des multiresistenten Pilzes Candida auris, die verletzt auf der Oberfläche saßen, so gut wie tot seien.

„Die verletzten Candida-Zellen waren starkem Stoffwechselstress ausgesetzt und verhinderten so den Prozess, bei dem sie sich vermehren und einen tödlichen Pilzbiofilm bilden, selbst nach sieben Tagen“, sagte Linklater von der School of Science des RMIT. „Sie konnten in einer stressfreien Umgebung nicht wiederbelebt werden und endeten schließlich in einem Prozess, der als Apoptose oder programmierter Zelltod bekannt ist.“

Die Wirksamkeit der Oberfläche gegen häufige pathogene Bakterien, einschließlich Staphylokokken, wurde in einer früheren, in Materialia veröffentlichten Studie nachgewiesen.

Gruppenleiterin, angesehene Professorin Elena Ivanova, sagte, die neuesten Erkenntnisse werfen Licht auf die Gestaltung antimykotischer Oberflächen, um die Bildung von Biofilmen durch gefährliche, multiresistente Hefen zu verhindern.

„Die Tatsache, dass Zellen nach dem ersten Kontakt mit der Oberfläche abstarben – einige durch Aufbrechen und andere durch den programmierten Zelltod kurz danach – legt nahe, dass sich keine Resistenz gegen diese Oberflächen entwickeln wird“, sagte sie. „Dies ist ein bedeutendes Ergebnis und legt auch nahe, dass die Art und Weise, wie wir die Wirksamkeit antimikrobieller Oberflächen messen, möglicherweise überdacht werden muss.“

Im letzten Jahrzehnt wurden Fortschritte bei der Entwicklung von Oberflächen erzielt, die Superbakterien bei Kontakt abtöten. Allerdings ist es eine ständige Herausforderung, die richtigen Arten von Oberflächenmustern zu finden, um 100 % der Mikroben zu eliminieren, damit einige nicht überleben und resistent werden.

„Diese neueste Studie legt nahe, dass es möglicherweise nicht unbedingt notwendig ist, dass alle Oberflächen alle Krankheitserreger sofort bei Kontakt eliminieren, wenn wir zeigen können, dass die Oberflächen den programmierten Zelltod in den überlebenden Zellen verursachen, was bedeutet, dass sie trotzdem sterben“, sagte sie.

Die Forschungsgruppe „Multifunktionelle mechanobiozide Materialien“ des RMIT ist seit über einem Jahrzehnt weltweit führend in der Entwicklung antimikrobieller Oberflächen, die von den Nanosäulen inspiriert sind, die die Flügel von Libellen und Zikaden bedecken. Ivanova selbst war eine der ersten, die beobachtete, wie Bakterien, die sich auf einem Insektenflügel ansiedeln, durch das Muster aus Nanosäulen die Zellen auseinanderziehen und die Membranen tödlich zerstören.

„Es ist, als würde man einen Latexhandschuh dehnen“, sagte Ivanova. „Wenn es sich langsam ausdehnt, wird die schwächste Stelle im Latex dünner und reißt schließlich.“

Ihr Team hat das letzte Jahrzehnt damit verbracht, die Nanosäulen dieser Insekten in eigenen Nanomustern nachzubilden. Dieser neueste Fortschritt wurde mithilfe einer Technik namens Plasmaätzen erzielt, um das antibakterielle und antimykotische Muster in Titan zu erzeugen.

Ivanova sagte, die relativ einfache Ätztechnik könne optimiert und auf eine Vielzahl von Materialien und Anwendungen angewendet werden.

„Diese neue Oberflächenmodifikationstechnik könnte potenzielle Anwendungen in medizinischen Geräten haben, könnte aber auch leicht für zahnmedizinische Anwendungen oder für andere Materialien wie Edelstahlbänke, die in der Lebensmittelproduktion und in der Landwirtschaft verwendet werden, optimiert werden“, sagte sie.

Hauptautor der Studie und gemeinsamer Doktorand. Phuc Le, Kandidat bei RMIT und dem ARC Research Hub for Australian Steel Manufacturing, sagte, die enge Zusammenarbeit mit dem Industriepartner BlueScope Steel habe dazu beigetragen, die Bemühungen auf praktische Lösungen für die Industrie zu konzentrieren.

„Die Zusammenarbeit mit Industriepartnern war ein transformativer Aspekt meiner Doktorarbeit“, sagte er. „Ihre Einblicke aus erster Hand als Hersteller haben Klarheit über die Herausforderungen geschaffen, denen ihre Produkte gegenüberstehen, und mir Türen für die Erforschung und Entwicklung praktischer Lösungen geöffnet. Während sich unsere Studien noch im Anfangsstadium befinden, sind die Aussichten für eine Produktoptimierung vielversprechend.“

Mehr Informationen: Phuc H. Le et al, Apoptose multiresistenter Candida-Spezies auf mikrostrukturierten Titanoberflächen, Advanced Materials Interfaces (2023). DOI: 10.1002/admi.202300314

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