Licht, das Bakterien tötet – Alternative für Antibiotika wird in Russland entwickelt

© MEPhI / IVAN GOLOVKOV / HandoutLicht, das Bakterien tötet – Alternative für Antibiotika wird in Russland entwickelt
Licht, das Bakterien tötet – Alternative für Antibiotika wird in Russland entwickelt - SNA, 1920, 14.12.2020
Die Anpassungsfähigkeit von Bakterien gegenüber Antibiotika ist laut der WHO eine Herausforderung für die Wissenschaft. Russische Wissenschaftler haben nach Alternativen gesucht und sind dabei auf die Möglichkeiten der Lichttherapie gestoßen. Über die jüngsten Errungenschaften berichtet RIA Novosti
Eine der größten Gefahren für die Menschheit ist nach Einschätzung der Weltgesundheitsorganisation (WHO) mit der Resistenz von Bakterien gegen Antibiotika verbunden, die wegen der immer häufigeren und oft unkontrollierten Einnahme solcher Arzneimittel entsteht. Im Rahmen eines Projekts russischer Wissenschaftler, an dem sich unter anderem Experten der Nationalen Universität für Nuklearforschung (MEPhI) beteiligen, wurden viele potenzielle Lösungen für das Problem vorgeschlagen. Eine der Entwicklungen könnte die Behandlung von schwer verheilenden Wunden, Brandwunden und anderen bakteriellen „Herden“ erleichtern.

Resistenz gleich null

Einer der Wege zur Lösung dieses globalen Problems wäre nach Einschätzung der Wissenschaftler die Entwicklung von Methoden der antibakteriellen photodynamischen Therapie (PDT). Zahlreiche Forschungen ergaben, dass pathogene Mikroorganismen unfähig sind, dieser Art der Therapie zu widerstehen.
Dem PDT-Prinzip liegt die Verwendung von besonderen Stoffen – Photosensibilisatoren – zugrunde, die in den Organismus eingeführt und mit einem speziellen Strahler zur Behandlung genutzt werden. Die dabei entstehende Lichtenergie wird auf Sauerstoffmoleküle übertragen und transformiert diese in eine aktive Form, die gegen die Infektion kämpft.
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Das Forscherteam besteht aus Physikern vom Institut für allgemeine Physik der Russischen Akademie der Wissenschaften und der MEPhI-Universität, Mikrobiologen vom Nationalen Forschungszentrum für Epidemiologie und Mikrobiologie „Nikolai Gamaleja“ sowie Chemiker vom Nationalen Institut für organische Halbprodukte und Farbstoffe (NIOPIK). Es schlug vor, als Photosensibilisatoren synthetische Polykation-Bakteriochlorine zu verwenden. Im Unterschied zu den meisten Antibiotika, die nur gegen einen Bakterientyp geeignet sind, wirken diese Verbindungen bei der Anwendung der PDT-Methode universal. Den Forschern zufolge könnte dies erlauben, auf Bestimmung des Typs der bakteriologischen Gefahr zu verzichten und dadurch Zeit und Ressourcen zu sparen. Nach Einschätzung der WHO gilt ein Anti-Bakterien-Präparat als effizient, wenn es die Zahl von aktiven pathogenen Zellen mindestens um das 103-fache verringert. Laut den MEPhI-Experten übertreffen die von ihnen eingesetzten Bakteriochlorine diese Kennzahl mindestens um das Zehnfache.

Wovor haben Bakterien Angst?

Eine solche Effizienz wird vor allem dank der Fähigkeit der Bakteriochlorine zur Lichtabsorption erreicht, wobei diese Energie dann an den Sauerstoff weitergeleitet wird, der im Organismus vorhanden ist. Der schnelle Tod der Bakterien wird durch die Wirkung gerade der aktiven Form des Sauerstoffs erreicht, die vom Photosensibilisator mit Energie „beladen“ wird.
Zweitens haben Bakteriochlorine in der Lösung eine positive Elektroladung, was laut jüngsten Forschungen die Effizienz der Photosensibilisatoren bei der Einwirkung auf Bakterien erhöht, und zwar sowohl im freien Zustand als auch in Form von Biofolien.
Drittens saugen Bakteriochlorine im nahen infraroten Bereich das Licht sehr gut auf. Laut den Forschern befindet sich in diesem Teil des Spektrums ein so genanntes „Durchsichtigkeitsfenster des Biogewebes“, so dass das Licht mit der entsprechenden Wellenlänge in das Gewebe des Organismus viel tiefer durchdringen kann. Außerdem ist in diesem Bereich die Lichtabsorption von Pigmenten ziemlich gering, die von manchen Arten von pathogenen Bakterien ausgesondert werden, so dass für die Aktivierung des Photosensibilisators viel weniger Energie verwendet wird.
„Die Experimente haben die hohe Effizienz von Bakteriochlorinen an Bakterienstämmen gezeigt, die gegen Antibiotika resistent sind“, sagte die Doktorandin des Ingenieurs-Physischen Instituts für Biomedizin bei der MEPhI-Universität, Jekaterina Achljustina. „Dabei waren das sowohl weniger aggressive grampositive als auch aggressivere gramnegative Bakterien. Das erhöht unsere Chancen auf den Erfolg bei realer klinischer Arbeit.“

Es werde Licht!

Besonders aussichtsreich wird die Anwendung der PDT-Methode voraussichtlich bei der Behandlung von schweren, infizierten Wunden bzw. Brandwunden, vermuten die MEPhI-Experten. Und diese Methode könnte die Heilung wesentlich intensivieren und zudem einen guten kosmetischen Effekt haben.
„Schon in der aktuellen Testphase können diese Verbindungen zu technischen Zwecken verwendet werden, beispielsweise für Desinfizierung von Oberflächen in Krankenhäusern. Wir hoffen, dass künftig auf Basis der Bakteriochlorine auch Arzneien entwickelt werden, die zu rein medizinischen Zwecken verwendet werden können“, so Jekaterina Achljustina.
Den Forschern zufolge ist eine der physischen Probleme, die es bei der Entwicklung der PDT-Methode gibt, mit der Aggregation von Photosensibilisatoren verbunden: Es entstehen „Knöllchen“ des Stoffs, die die Effizienz der Therapie wesentlich beeinträchtigen. Die MEPhI-Fachkräfte bemühen sich intensiv um die Bekämpfung dieser negativen Erscheinung. Darüber hinaus sollten nach ihren Worten die Stabilität und die photodynamischen Eigenschaften von synthetisierten Verbindungen gründlich analysiert werden. Dann könnten die Dosen der Präparate richtig festgelegt werden, um neue Arzneimittel zu entwickeln. Die richtige Konzentration der Stoffe und die richtige Lichtdosis bei der Bestrahlung sind dabei am wichtigsten.
Für chemische Verbindungen, die das Expertenteam als Photosensibilisatoren einsetzt, wurde bereits ein entsprechendes Patent ausgestellt. Die nächsten Aufgaben, die die MEPhI-Experten zu lösen haben, bestehen in der spektroskopischen Erforschung von stabilen Verbindungen von Bakteriochlorinien mit minimaler Aggregation, wie auch in der Vorbereitung von Experimenten an tierischen und auch menschlichen Organen und Geweben.
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