Den Schutzwall der Bakterien durchbrechen

Zuerst war ihr Interesse rein beruflich. Eleonora Secchi besch?ftigt sich als Physikerin schon lange damit, wie sich weiche Materialien unter mechanischer Belastung verhalten ¨C also, wenn sie belastet oder gezogen werden. Im Gespr?ch mit einem Ingenieurkollegen wurde sie erstmals auf Biofilme aufmerksam. Das sind schleimartige Gebilde, die von Bakterien gebildet werden. Sie siedeln sich an feuchten Oberfl?chen an ¨C sowohl von technischen Systemen wie auch in unserem K?rper. So finden sich Biofilme etwa in Wasserleitungen oder als Zahnbelag in unserem Mund. Sie k?nnen beispielsweise Wasserfilter verstopfen, aber auch Karies oder hartn?ckige Infektionen in unserem K?rper verursachen.  

Aus diesem Grund ist Eleonora Secchi heute nicht mehr nur beruflich, sondern auch pers?nlich am Thema interessiert. Ihre Mutter leidet an einer chronischen Infektion, die durch Biofilme verursacht wird. ?Zu sehen, wie schwierig die Krankheit zu behandeln ist, spornt mich in meiner Forschung zus?tzlich an?, sagt Secchi. Ihr Ziel: Biofilme dort wirksam bek?mpfen zu k?nnen, wo sie eine Bedrohung darstellen.  

Wie eine Matrix die Bakterien sch¨¹tzt 

Dazu muss die Wissenschaft Biofilme erst besser verstehen. Dabei kann die Physik wertvolle Beitr?ge leisten. Denn Biofilme zeichnen sich durch sehr spezifische physikalische Eigenschaften aus. Die Bakterien rotten sich darin n?mlich nicht einfach zusammen, sondern sie stellen aktiv eine stabile Matrix her, die sie zusammenh?lt. Diese gelartige Matrix bildet eine festungsartige Schutzbarriere, die die Bakterien nach aussen abschirmt. Nach dem Motto ?gemeinsam sind wir st?rker? unterst¨¹tzen sich die Bakterien innerhalb eines Biofilms gegenseitig, etwa indem sie dabei kooperieren, N?hrstoffe zu verarbeiten und Bauteile f¨¹r die Matrix herzustellen.  

Biofilme sind nicht immer sch?dlich. Sie kommen etwa auf unserer Schleimhaut in der Nase, im Darm oder auf der Haut vor. Dort werden uns die Bakteriengemeinschaften in der Regel nicht gef?hrlich, sondern erf¨¹llen im Gegenteil wichtige Aufgaben ¨C etwa indem sie Krankheitserreger abwehren oder die Verdauung unterst¨¹tzen. Anders sieht es aus, wenn krankmachende Bakterien Biofilme bilden. ?Gesch?tzte 60 bis 80 Prozent aller Infektionen gehen auf Biofilme zur¨¹ck?, sagt Secchi.  

Dass diese oft schwierig zu bek?mpfen sind, hat mit der Matrix zu tun. Sowohl Immunzellen wie auch antibiotische Wirkstoffe k?nnen den Schutzschild kaum durchdringen. Bakterien sind in einem Biofilm viel besser gesch¨¹tzt, als wenn sie als einzelne Zellen unterwegs w?ren. Entsprechend verursachen Biofilme viel Leiden und hohe Kosten. Denn sie k?nnen sich beispielsweise bei Operationen auf Beatmungsschl?uchen oder Gelenkprothesen ansiedeln. Solche medizinischen Ger?te sind schwierig zu reinigen und aufwendig zu ersetzen.  

In der Str?mung verh?rten sich die Biofilme 

Eleonora Secchi und ihr Team erforschen vor allem Biofilme in str?menden Fl¨¹ssigkeiten ¨C unter Bedingungen, die diejenigen nachahmen, wie sie etwa in Wasserschl?uchen oder im Harntrakt vorkommen. Unter diesen Umst?nden k?nnen Biofilme sogenannte ?Streamers? bilden: lange, fadenf?rmige Gebilde, die in die Str?mung ragen. Die vorbeistr?mende Fl¨¹ssigkeit liefert ihnen st?ndig neue N?hrstoffe. Umgekehrt ist die Str?mung f¨¹r die Bakterien ein mechanischer Stress, weil f¨¹r sie permanent das Risiko besteht, weggeschwemmt zu werden. ?Als Reaktion darauf zeigen Streamers ein besonderes Verhalten ¨C sie verh?rten sich und werden steifer?, sagt Secchi. Dies erschwert es umso mehr, st?rende oder krankmachende Bakteriengemeinschaften zu entfernen.  

Um das Verhalten von ?Streamern? zu studieren, nutzten die Forschenden sogenannte Mikrofluidik-Technologien, die es erm?glichten, k¨¹nstliche Miniwelten im Labor zu erzeugen, welche die Bedingungen in einem Blutgef?ss oder einer Wasserleitung nachbilden. So konnte das Team um Secchi wertvolle Einsichten gewinnen und in einer k¨¹rzlich ver?ffentlichten externe Seite Publikation erstmals aufzeigen, wie sich die Verh?rtung von Streamers vollzieht. Die ?berraschung, der sie dabei begegneten: ?Bisher ging man davon aus, dass sich Biofilme biologisch an den Stress anpassen, den eine Str?mung verursacht. Mit anderen Worten: dass die Bakterien mithilfe molekularer Sensoren ihre Umwelt erkunden und aktiv darauf reagieren, indem sie die Zusammensetzung der Matrix ver?ndern?, sagt Secchi. Das ist aber nicht so: ?Die Verh?rtung ist ein rein passiver, physikalischer Mechanismus.? 

Massgeblich daf¨¹r verantwortlich ist ein bestimmter Bestandteil der Matrix ¨C die sogenannte extrazellul?re DNA. Diese ist neben Zuckermolek¨¹len und Proteinen ein wesentlicher Baustein von Biofilmen. Sie tr?gt als physikalisches R¨¹ckgrat zur St?rkung der Matrix bei. Auch dies war eine ?berraschung: ?Sowohl menschliche Zellen wie auch Bakterien produzieren st?ndig extrazellul?re DNA. Diese ist aber nicht nur Tr?ger genetischer Information, sondern die Bakterien nutzen sie in Biofilmen aktiv als Baumaterial f¨¹r ihre Festung?, sagt Secchi.  

Die st?rkste Verteidigung knacken 

Mithilfe dieser neuen Erkenntnisse will Eleonora Secchi versuchen, den Schutzschild von Biofilmen zu schw?chen. Die Idee: Die Matrix durchl?ssiger machen, damit sie einfacher zu entfernen ist und verletzlicher gegen¨¹ber bestehenden Behandlungen wird. Dabei ist f¨¹r Secchi klar: ?Es gibt nicht den einen besten Weg, um Biofilme anzugreifen. Wir sollten verschiedene Strategien gleichzeitig nutzen.? Dazu geh?re auch, Biofilme wegzusp¨¹len oder chemisch anzugreifen. 

In einem n?chsten Schritt geht es f¨¹r Secchi und ihr Team ¨C mit der Unterst¨¹tzung des Schweizerischen Nationalfonds ¨C darum, zu erforschen, ob neben Streamers auch andere Formen von Biofilmen den Schutzmechanismus der stressbedingten Verh?rtung kennen. Vielleicht handelt es sich dabei um ein grunds?tzliches Prinzip, wie sich Biofilme an Umweltbedingungen anpassen. Gleichzeitig forscht die Gruppe an der Frage, wann und wie es Medikamenten wie Antibiotika gelingt, Biofilme zu durchdringen. ?Die physikalische Verteidigung von Biofilmen besser verstehen wird Antibiotika nicht ¨¹berfl¨¹ssig machen. Aber es kann helfen, Behandlungen wirksamer zu machen, indem wir eine der st?rksten Strategien der Verteidigung von Bakterien schw?chen?, sagt Secchi.