Licht aus für Keime

Peter Wick leitet das Labor, in dem sich alles um Materialien dreht, die aus winzigsten Teilchen aufgebaut sind ¨C in Nanogr?sse eben. In seinem Labor untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, wie solche Materialien mit dem menschlichen K?rper interagieren, welche gesundheitlichen Risiken sie bergen und welche Chancen sie bieten, gesundheitliche Probleme zu l?sen. 

Wick widmet sich mit seinem Labor seit mehr als zwanzig Jahren solchen Fragen. Als Dozent und seit 2023 Titularprofessor am Departement Gesundheitswissenschaften und Technologie ist er dabei eng mit der ETH Z¨¹rich verbunden. Ein Thema, das ihm besonders am Herzen liegt, sind die zunehmenden Antibiotikaresistenzen: ?Wir brauchen dringend neue Ans?tze, um Infektionen vermeiden und behandeln zu k?nnen. Denn immer mehr Erreger lassen sich mit den vorhandenen Antibiotika nicht mehr bek?mpfen.?  

Hauchd¨¹nne Schicht 

Schon heute werden in der Medizin Nanomaterialien mit antimikrobiellen Eigenschaften eingesetzt ¨C etwa auf der Basis von Silber, Kupfer oder Titandioxid. Allerdings weisen diese metallhaltigen L?sungen auch Nachteile auf. Einige k?nnen zum Beispiel Allergien ausl?sen. Andere wirken zwar gut gegen Bakterien, aber kaum gegen Viren. Das Labor f¨¹r ?Nanomaterials in Health? forscht deshalb an neuartigen Materialien, die diese Nachteile ¨¹berwinden. Dank einer EU-Finanzierung konnte Wick 2023 den Chemiker Giacomo Reina als Projektleiter daf¨¹r anstellen. Dieser machte sich sogleich auf die Suche nach geeigneten Bausteinen f¨¹r solche antimikrobiellen Nanomaterialien. 

Eine erste wichtige Inspiration erhielt er von einem Forschungspartner in Tschechien. Ein Team der tschechischen Palack?-Universit?t Olm¨¹tz hatte ein Material auf der Basis von Graphen entwickelt ¨C eine Form von Kohlenstoff, die nur aus einer einzigen Lage von Atomen besteht. Reina sah sofort das Potenzial des Stoffs, auch f¨¹r die Medizin. Es begann die aufwendige Suche danach, wie das Material weiterentwickelt werden kann, um den Bed¨¹rfnissen im Kampf gegen Mikroben zu gen¨¹gen. ?Wir brauchen Nanomaterialien, die antimikrobiell, aber auch biovertr?glich, umweltfreundlich und stabil sind?, sagt Reina. 

Die erste Version eines geeigneten Materials sieht so aus: Das Graphen wird in der Form von Graphens?ure in einen Kunststoff eingebettet, wie er auch in der Lebensmittelindustrie verwendet wird ¨C Polyvinylalkohol. Reina hebt ein Glaspl?ttchen hoch, auf dem scheinbar nichts zu sehen ist: ?Unser Nanomaterial ist eine hauchd¨¹nne, durchsichtige Schicht. Das hat den Vorteil, dass sie unsichtbar auf verschiedene Produkte aufgetragen werden kann.? 

Inzwischen hat Reina schon vier unterschiedliche Materialien synthetisiert ¨C immer im Bestreben nach einer weiteren Verbesserung der gesuchten Eigenschaften, wie er im Labor erkl?rt: ?Es sind unseres Wissens die ersten antimikrobiellen Beschichtungen auf der Basis von Graphens?ure.?  

Durch die Haut ins Gewebe 

Die Nanomaterialien zeichnen sich durch eine weitere Besonderheit aus: Ihre antimikrobielle Eigenschaft l?sst sich erst mit Licht aktivieren. Das Labor von Wick hat schon Nanomaterialien und Stoffe mitentwickelt, die an sich antibakteriell sind, auch ohne Lichtzufuhr. Das l?sst sich etwa f¨¹r Vorh?nge in Spit?lern nutzen. F¨¹r andere Anwendungen ist es aber ein Vorteil, die Beschichtung mit Licht aktivieren zu m¨¹ssen. ?So l?sst sich der Effekt gezielt ein- und ausschalten und mit mehr oder weniger Lichtenergie genau dosieren?, sagt Reina. 

Als geeignete Lichtquelle sind die St. Galler Forschenden dabei als erstes auf Nahinfrarotlampen gestossen, wie sie in Spit?lern bereits zur Schmerztherapie genutzt werden. Im Labor machen sich Reina und Doktorandin Paula B¨¹rgisser derweil bereit f¨¹r einen Versuch und montieren ihre Schutzbrillen: Das diesmal in Gl?schen abgef¨¹llte Nanomaterial wird vom gelblich-orangen Lichtstrahl auf rund 44 Grad Celsius erhitzt.  

Dabei geschieht zweierlei, um Bakterien und Viren den Garaus zu machen: Einerseits werden die Mikroben durch die erh?hte Temperatur geschw?cht. Noch wichtiger aber: Ausgel?st durch das Licht findet eine chemische Reaktion zwischen dem Nanomaterial und dem Sauerstoff in der Luft statt. Dabei entstehen sogenannte Sauerstoffradikale. Diese besch?digen die Oberfl?che der Bakterien, sodass diese im besten Fall absterben oder zumindest inaktiviert werden. 

Infrarotlicht hat dabei einen weiteren Vorteil: Es kann bis etwa zwei Zentimeter in ein Gewebe eindringen. Somit ist es beispielsweise auch m?glich, ein beschichtetes Implantat unter der Haut von aussen zu aktivieren.  

Wick schaut seinen Forschenden zu und kommt ob der Sch?nheit des Prozesses ins Schw?rmen: ?Ist das nicht toll? Wir nutzen physikalische Energie, um einen chemischen Prozess anzustossen, der biologische Auswirkungen hat.? 

Beleuchtete Krankenhauskeime 

Dass die Idee tats?chlich funktioniert, zeigt sich einen Stock h?her im selben Geb?ude der Empa. Hier befindet sich das ?Lab for Biointerfaces?, wo die neuartigen Materialien in einem Biosicherheitslabor auf den Pr¨¹fstand kommen: Wirken sie wirklich antimikrobiell? Dies wird anhand von zwei gef?hrlichen, oft resistenten Krankenhauskeimen und einem Virus getestet. Die Versuche mit dem ersten der vier Materialien waren erfolgreich: Bei der einen Bakterienart wurden fast 100 Prozent und bei der anderen rund 91 Prozent der Keime abget?tet. Die Wirksamkeit war damit deutlich besser als etwa bei bestehenden Silberbeschichtungen.  

In einem anderen Raum des Labors kann mit gez¨¹chteten Hautzellen getestet werden, ob die Nanomaterialien Nebenwirkungen haben, was bisher nicht der Fall ist. Auch zeigen sich keine Anzeichen einer Resistenzbildung bei den Mikroben. Und die 44 Grad Celsius ¨C mehr als hohes Fieber: Beginnen sich da nicht Proteine in unserem K?rper aufzul?sen? Wick beruhigt: Die Behandlung sei so lokal, dass h?chstens sehr geringf¨¹gig Gewebe gesch?digt werde ¨C und sich wieder regeneriere. 

Sichere Zahnimplantate 

Die sogenannte ?Proof of Concept?-Phase ist damit abgeschlossen: Das Team konnte mit den Analysen zeigen, dass die Idee funktioniert. Trotzdem sagt Wick: ?Wir stehen erst am Anfang unserer Reise.? Jetzt geht es darum, weiter verschiedene chemische Zusammensetzungen des Materials und Arten der Beleuchtung zu erproben, um die antimikrobielle Wirksamkeit f¨¹r spezifische Anwendungen zu optimieren. Eine Variante k?nnte sein, Laser statt Infrarotlampen zu verwenden ¨C mit dem Vorteil, dass sich das Nanomaterial noch gezielter aktivieren l?sst. Ausserdem wartet die Nagelprobe: Funktioniert das Prinzip auch im menschlichen K?rper, wo sich Mikroben oft in Biofilmen anh?ufen und so besser gesch¨¹tzt sind, etwa vor Antibiotika?  

Als erste konkrete medizinische Anwendung haben die Forschenden ¨C finanziell unterst¨¹tzt durch zwei Stiftungen ¨C die Zahnmedizin ausgesucht. Bei Zahnimplantaten k?nnen sich schwere Infektionen bilden, die auf den Kieferknochen oder gar den ganzen K?rper ¨¹bergreifen k?nnen. Wie sich dies mithilfe von Nanomaterialien verhindern l?sst, ist seit Sommer 2025 Thema des Dissertationsprojekts von B¨¹rgisser. 

Schon w?hrend ihres Studiums der Gesundheitswissenschaften und Technologie an der ETH war die damalige Exzellenz-Stipendiatin f¨¹r die Masterarbeit am Labor von Wick t?tig. Im Rahmen ihres Doktorats arbeitet sie jetzt mit Professor Ronald Jung vom Zentrum f¨¹r Zahnmedizin der Universit?t Z¨¹rich zusammen. Sie wird dazu pendeln: Nanomaterialien entwickeln in St. Gallen, antimikrobielle Analysen durchf¨¹hren in Z¨¹rich.  

Unerm¨¹dliches Material 

Die Idee: Erh?lt eine Patientin oder ein Patient ein Zahnimplantat, k?nnte der obere Teil davon in Zukunft mit Nanomaterial beschichtet sein. Nach dem Einsetzen wird dieser kurz beleuchtet, um allf?llige Mikroben darauf abzut?ten. Bei der regelm?ssigen Zahnkontrolle liesse sich der Vorgang jeweils wiederholen. Sollte sich doch eine Infektion bilden, k?nnte man wiederum beleuchten. Denn die bisherigen Versuche haben gezeigt: ?Das Material erm¨¹det nicht, es l?sst sich immer wieder beleuchten und wirkt antimikrobiell?, sagt Reina.

Wenn alles gut l?uft, m?chte das Team in drei bis vier Jahren so weit sein, um einen Industriepartner f¨¹r die n?chste Phase der Entwicklung suchen zu k?nnen: klinische Tests. Bis die Anwendung bei Patientinnen und Patienten ankommt, werde es wohl noch zehn bis f¨¹nfzehn Jahre dauern, sch?tzt Wick.  

Weitere medizinische Anwendungen hat das Team bereits im Kopf. F¨¹r Wick ist klar: ?Nanomaterialien k?nnen einen wesentlichen Beitrag in der Medizin leisten. Wir stehen dabei erst am Anfang, denn die Grundlagenforschung liefert laufend neue Erkenntnisse.? Er denkt dabei neben dem Kampf gegen Viren und resistente Bakterien etwa auch an den Bau hochsensibler Sensoren oder daran, mittels Nanomaterialien Krankheiten wie Krebs zu therapieren. So entstehen am St. Galler Stadtrand Innovationen, die eines Tages den Weg in die ganze Welt finden k?nnten.