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Frühzeitig Infektionserreger identifizieren, um Antibiotikaresistenzen zu vermeiden – dieses Ziel verfolgen verschiedene Forschungsgruppen der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa). Sie entwickeln Sensoren, die pathogene Bakterien wie Staphylococcus aureus deutlich schneller nachweisen können als mikrobiologische Methoden. So könnten Patientinnen und Patienten von Beginn an eine spezifische antibiotische Therapie erhalten [1].
Anfang April ließ eine Pressemitteilung des schweizerischen Forschungsinstituts Empa zu „Sensoren gegen Superkeime“ aufhorchen. Was steckt dahinter?
Die jeweiligen Nachweisprinzipien der Sensoren sind sich ähnlich: Sie bestehen aus einem Polymermaterial mit eingearbeiteten Farbstoffen, die nur unter dem Einfluss bestimmter Bakterienarten zersetzt werden können. Bei dieser Zersetzungsreaktion entsteht ein messbares Lichtsignal (fotochemische Reaktion) [1].
Auf Basis dieses Konzeptes arbeiten die Empa-Forschenden derzeit an Sensorsystemen für drei Anwendungsbereiche:
1. Leuchtende Verbände sollen Infektionserreger in Wunden erkennen
Ein wichtiges potenzielles Einsatzgebiet der beschriebenen Sensoren sind infizierte Wunden. So möchte ein Empa-Team gemeinsam mit dem Kantonsspital St. Gallen einen Multisensorverband entwickeln, der unter anderem Staphylococcus aureus identifizieren kann. Der Verband besteht aus Silica-Nanopartikeln und aus Substanzen, die auf bestimmte bakterielle Ausscheidungen reagieren können – beispielsweise auf ein verändertes Säure-Base-Gleichgewicht in der Wunde. Eine weitere Möglichkeit sind Farbstoffe, die vom bakteriellen Resistenz-Enzym Beta-Laktamase zerlegt werden können. Die dabei entstehende Leuchtreaktion (Hinweis auf eine mögliche Antibiotikaresistenz) lässt sich unter einer UV-Lampe nachweisen. Mit diesen Sensorverbänden könnte man frühzeitig Verursacherkeime identifizieren und Wundinfektionen gezielt behandeln, statt unspezifische und möglicherweise wirkungslose Antibiotika anzuwenden [1].
2. Erreger nosokomialer Lungenentzündungen rasch identifizieren
Eine andere Empa-Arbeitsgruppe und die St. Gallener Klinik forschen am Nachweis multiresistenter Bakterien, die nosokomiale Lungenentzündungen verursachen - darunter Klebsiella pneumoniae. Liegt eine Klebsiella-Infektion vor, soll der entsprechende Sensor fluoreszierendes Licht ausstrahlen. In diesem Fall besteht das Sensormaterial aus einem Polymer als Substrat für das bakterielle Enzym Urease und einem Farbstoff, der pH-Wert-abhängig leuchten kann. Das heißt, der enzymatische Abbau des Polymers bringt den Farbstoff zum Leuchten. Der Sensor soll für Proben aus Rachenabstrichen oder aus Sputum entwickelt werden, um innerhalb weniger Stunden (statt Tagen) den Erregernachweis durchzuführen [1,2].
3. Resistenz-Schnelltest bei Erregern von Harnwegsinfektionen
Mit dem dritten Beispiel gehen die schweizerischen Forschenden noch einen Schritt weiter. Sie entwickeln derzeit magnetische Nanopartikel, an die das Peptid QRKLAAKLT gebunden ist. Mit diesen „Nanomagneten“ wäre es zum Beispiel möglich, Pseudomonas aeruginosa aus Urinproben zu isolieren, da sie spezifisch mit dem gebundenen Peptid reagieren können. Ein möglicher Anwendungsfall sind Pseudomonas-aeruginosa-verursachte Harnwegsinfektionen bei Patientinnen und Patienten mit einem Blasenkatheter.
Im zweiten Schritt könnte mit einem Chemilumineszenz-Verfahren getestet werden, auf welche Antibiotika die isolierten Bakterien ansprechen und gegen welche sie resistent sind. Nach Angaben der verantwortlichen Forschungsleiterin dauert der gesamte Resistenztest etwa 30 Minuten. Für den bisher verwendeten mikrobiologischen Nachweis mit Anzucht der Bakterien braucht es dagegen mehrere Tage [1,3].
Die beschriebenen Sensorsysteme sind noch in der Entwicklung und es muss sich noch zeigen, ob sie sich in der klinischen Praxis bewähren.
Referenzen
1. Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt. Zunehmende Antibiotikaresistenz: Sensoren für Superkeime. Pressemitteilung. 01.04.2025. unter: https://idw-online.de/de/news849916 (abgerufen: 14.04.2025)
2. Albrich WC, et al. Fluorescent Probe for the pH-Independent Rapid and Sensitive Direct Detection of Urease-Producing Bacteria. Anal Chem. 2024;96(52):20578-20586.
3. Pan F, et al. Specific capture of Pseudomonas aeruginosa for rapid detection of antimicrobial resistance in urinary tract infections. Biosens Bioelectron. 2023;222:114962.
