Mit Fangnetz und Lichtschalter gegen Superkeime

Bakterielle Infektionen verursachen weltweit rund 7,7 Millionen Todesf?lle pro Jahr, und die zunehmende Resistenz von Bakterien gegen Antibiotika versch?rft das Problem weiter. Gerade Infektionen in Wunden sind aber nicht nur zunehmend schwer behandelbar, sondern behindern gleichzeitig auch die Heilung des umliegenden Gewebes. Dies, da sie eine fehlgeleitete Entz¨¹ndungsreaktion verursachen bei der das Immunsystem dauerhaft aktiviert bleibt, gesundes Gewebe sch?digt und die f¨¹r die Heilung n?tigen Reparaturprozesse blockiert. Antibiotika k?nnen hier, selbst wenn sie gegen die Keime wirksam sind, nicht viel ausrichten.

Wie die Proteinnetze unserer Immunzellen

Genau hier setzt ein neuer Ansatz an, den ETH-Professor Raffaele Mezzenga und sein Team gemeinsam mit Forschenden der Shanghai University k¨¹rzlich in der Fachzeitschrift externe Seite Nature Communications vorgestellt haben.

Inspiriert ist er von den netzartigen Proteinstrukturen, die Immunzellen freisetzen, um Krankheitserreger einzufangen und unsch?dlich zu machen. Diese sogenannten Neutrophil Extracellular Traps, kurz NETs sind eine Art nat¨¹rlicher ?Fangnetze?, die verhindern, dass sich Infektionen im K?rper ausbreiten.

Versuche, solche Strukturen k¨¹nstlich nachzuahmen, gab es bereits. Doch die dabei verwendeten synthetischen Materialien erwiesen sich zum Teil als zu wenig stabil, nicht gen¨¹gend vertr?glich oder aber wenig wirksam gegen resistente Keime.

Antibakterielles Enzym mit Infrarotlicht aktiviert

?Im Gegensatz zu vielen synthetischen Ans?tzen setzen wir auf ein nat¨¹rliches, proteinbasiertes System,? erl?utert Mezzenga. Ihr Gel wird aus H¨¹hnereiweiss gewonnen und besteht aus einem dichten Geflecht winziger Proteinfasern aus in dieser Form noch inaktivem Lysozym ¨C einem antibakteriellen Enzym, das auch im menschlichen K?rper vorkommt. Das Gel wirkt in dieser Form wie ein physisches Netz, das sich ¨¹ber die Wunde legt und darin enthaltene Bakterien festh?lt.

Der entscheidende Schritt f¨¹r die Aktivierung des Enzyms erfolgt erst auf Knopfdruck: Wird das Gel mit Nahinfrarot-Licht bestrahlt ¨C einer schonenden, wenig invasiven Methode ¨C, erw?rmt sich ein daf¨¹r gezielt eingelagertes Farbmolek¨¹l. Durch die W?rme, die das Farbmolek¨¹l generiert, l?st sich wiederum ein Teil des Faser-Netzes vor¨¹bergehend auf und einzelne Lysozym-Molek¨¹le werden freigesetzt. In diesem Zustand sind sie biologisch aktiv, wie man es nennt: Sie greifen gezielt die Zellw?nde der Bakterien an und t?ten diese ab.

Heilung statt Dauerentz¨¹ndung

Parallel dazu setzt das Gel bei Lichtaktivierung Magnesiumionen frei. Diese wirken nicht antibakteriell, sondern beruhigen gezielt das Immunsystem: Entz¨¹ndungsf?rdernde Immunzellen werden in einen regenerativen Zelltyp umprogrammiert. Statt Entz¨¹ndungsreaktionen aufrechtzuerhalten, unterst¨¹tzen die Zellen nun aktiv die Gewebereparatur ¨C und f?rdern so die Heilung, anstatt sie zu behindern.

Sobald der Lichtimpuls endet, finden sich die Proteinfasern wieder zu einem stabilen Netz zusammen. Das Gel wird erneut zu einem Ger¨¹st, das den Zellen Halt gibt und die Regeneration des Gewebes unterst¨¹tzt.

Die Besonderheit des Hydrogels liegt also in der Reversibilit?t der Fasern: Sie k?nnen sich ?ffnen und wieder zusammenfinden. ?Unsere Technologie kombiniert antibakterielle Wirkung, Entz¨¹ndungshemmung und Wundheilung. Insbesondere f¨¹r diabetische Patient:innen mit chronischen Wunden oder solche mit Antibiotikaresistenzen, k?nnte dies dereinst neue M?glichkeiten er?ffnen?, sagt Qize Xuan von der Universit?t Shanghai, Erstautor der Studie und ehemaliger Gastdoktorand in Mezzengas Labor.

Bakterienlast in Tierversuchen um 95 Prozent reduziert

Getestet wurde das Hydrogel bereits in pr?klinischen Studien an M?usen und Schweinen. Im Mausmodell reduzierte das Gel die Bakterienlast in einer mit dem antibiotikaresistenten MRSA-Keim-infizierten Wunde um ¨¹ber 95 Prozent. Die behandelte Wunde verschloss sich zudem nahezu vollst?ndig innerhalb von 15 Tagen, w?hrend unbehandelte Kontrollwunden deutlich verz?gert heilten. Auch im Schweinemodell zeigte sich eine beschleunigte Wundheilung und eine deutlich geringere bakterielle Besiedlung. Zudem schuf das Material ein g¨¹nstiges Umfeld f¨¹r die Neubildung von Knochen- und Weichgewebe.

Das Gel, das direkt auf der Wunde aufgetragen wird, verbleibt w?hrend des Heilungsprozesses auf der Wunde. Es zieht in das Gewebe ein und baut sich schrittweise selbst ab, w?hrend sich das Gewebe regeneriert.

Bis das Gel dereinst die Patient:innen erreichen k?nnte, ist es aber noch ein langer Weg. Als n?chster Schritt sind klinische Studien n?tig. ?Daf¨¹r suchen wir jetzt industrielle Partner?, sagt Mezzenga. ?Solche Studien sind aufwendig, teuer und nur in enger Zusammenarbeit mit Kliniken realisierbar.?