Lösung für das älteste Problem der Mikrobiologie

Der iChip hat Forschern dabei geholfen, etwa 80.000 Stränge von zuvor nicht kultivierbaren Organismen zu züchten, was zu über 50 potenziellen Kandidaten für neue Antibiotika geführt hat. Der Erfolg dieser Erfindung ermöglichte es Lewis und Epstein, die beide aus der UdSSR ausgewandert waren, ihre Karriere voranzutreiben und ein Unternehmen zu gründen, das den iChip seit 2010 vermarktet.

„Lewis und Epstein haben eine Lösung geschaffen, die es Wissenschaftlern ermöglicht, auf Mikroorganismen zuzugreifen, die vorher nicht verfügbar waren, und diese zu kultivieren", sagt EPA-Präsident António Campinos bei der Bekanntgabe der Finalisten des Europäischen Erfinderpreises 2021. „Dies könnte Forschern helfen, neue Antibiotika zu finden, Arzneimittelresistenzen zu bekämpfen und letztlich Leben zu retten. Die Mikrobiologen zeigen auch, welche wichtige Rolle Patente dabei spielen, Innovationen auf den Markt zu bringen."

Die Gewinner des jährlichen Innovationspreises des EPA werden am 17. Juni 2021 ab 19 Uhr im Rahmen einer Galaveranstaltung bekannt gegeben, die in diesem Jahr als digitales Event für ein internationales Publikum neu konzipiert wurde.

Problemlösung für eine mikrobiologische Anomalie

Mikrobiologen haben von je her ein Problem: Wie kann das Potenzial von den 99% der Mikroben erschlossen werden, die nicht im Labor kultivierbar sind? Nur 1% der mikrobiellen Zellen bilden in einer Petrischale Kolonien, und daraus haben Wissenschaftler praktisch jedes in der modernen Medizin verwendete Antibiotikum abgeleitet. Der übermäßige Einsatz dieser Antibiotika hat jedoch zu Medikamentenresistenzen geführt, die Behandlungen unwirksam machen und Menschen gefährlichen Infektionen aussetzen.

Der Versuch, mehr Bakterien im Labor zu züchten, wurde als unproduktives Arbeitsfeld angesehen. In Anlehnung an einen Begriff aus der Astronomie für eine undurchschaubare Substanz, die möglicherweise den größten Teil des Universums ausmacht, aber nicht gesehen werden kann, schrieben Wissenschaftler die meisten Bakterien als „dunkle Materie" ab. Für Mikrobiologen war es eine Realität, dass die meisten Bakterienstämme im Labor einfach unzugänglich waren.

Ihr Aufwachsen in der ehemaligen Sowjetunion hatte den beiden Erfindern eine andere Perspektive auf die Dinge gegeben. Dieser Hintergrund trug dazu bei, dass sie sich dem Gebiet der Mikrobiologie mit neuen Ideen näherten. Beide arbeiteten an der Universität Moskau und kannten sich vage. Die Wissenschaftler emigrierten unabhängig voneinander in die USA und trafen sich zufällig in den frühen 2000er-Jahren an der Northeastern University in Boston, als sie durch einen gemeinsamen Freund wieder zusammenkamen.

Sie begannen dann gemeinsam daran zu arbeiten, Wege zur Kultivierung neuer Bakterienarten zu finden, da sie davon überzeugt waren, dass nicht nur ein neuer Ansatz nötig war, sondern das Problem auch gelöst werden konnte. Der entscheidende Durchbruch kam, als Epstein und Lewis erkannten, dass die Nährstoffe aus dem natürlichen Boden der Bakterien das entscheidende Element waren, das in herkömmlichen Petrischalen fehlte. Die Schwierigkeit lag jedoch darin, die Bakterienstämme voneinander zu trennen. Im Gegensatz zu reinen Kolonien im Labor vermischen sich Bakterien in der Natur, was es unmöglich macht, einzelne Stämme zu separieren.

Benötigt wurde eine Vorrichtung, mit der einzelne Bakterienstämme in ihrer natürlichen Umgebung, wie z. B. Gartenerde, isoliert und gezüchtet werden können - und damit war das Konzept für den iChip („isolation chip") geboren. Nach einigen Versuchen, bei denen sie das Gerät in der Erde vergruben, um Bakterienproben zu sammeln, entwickelten Lewis und Epstein erfolgreich ihren daumengroßen Prototyp. „Ich bin Optimist", sagt Epstein. „Wenn man sich sicher ist, dass man Herausforderungen meistern wird, dann wird der Umgang mit diesen Herausforderungen wirklich spannend."

Der Chip fängt einzelne Mikrobenzellen ein und setzt sie durch eine Membran aus Polycarbonat, die sehr dünne Poren von 20 bis 30 Nanometern hat, dem nährstoffreichen Boden aus. Dadurch entsteht ein Effekt, der an eine Supermarkt-Plastiktüte mit winzigen Löchern erinnert. Die Bakterienzellen werden in Kompartimenten isoliert und mit Nährstoffen aus dem Boden versorgt, die die Membran passieren können.

2002 vermeldeten Epstein und Lewis für ihre neue Vorrichtung im Vergleich zu einer herkömmlichen Petrischale ein 300-fach erhöhtes Bakterienwachstum. Im selben Jahr das Forscherduo ein europäisches Patent für ein Verfahren zur Isolierung und Kultivierung von Mikroorganismen an, das 2008 erteilt wurde.

2003 gründeten Lewis und Epstein die NovoBiotic Pharmaceuticals, LLC, um den iChip auf den Markt zu bringen. Der offizielle Launch des iChip war 2010. „Ohne Patentanmeldungen hätten wir kein Unternehmen gründen können", sagt Lewis. „Investoren fragen als erstes nach Vermögenswerten und das Einzige, was uns gehörte, war unser geistiges Eigentum."

Werkzeug zur Entwicklung der nächsten Generation von Antibiotika

Seit seiner Einführung hat der iChip von Lewis und Epstein Forschern geholfen, potenzielle Kandidaten für neue Antibiotika zu entwickeln. Dazu gehört Teixobactin, die erste neue Klasse von Antibiotika, die seit Jahrzehnten vermeldet wurde. Das Unternehmen der Erfinder führt derzeit Studien zu Teixobactin durch. Laut Lewis wird das den Start von Phase-I-Studien im Jahr 2022 ermöglichen.

Der Erfolg des iChips und die inspirierende Geschichte der Erfinder um ihre Auswanderung und Zusammenarbeit an der Northeastern University hat die beiden bekannt gemacht. Die in Epsteins Uni-Labor entwickelten Kultivierungswerkzeuge wurden vom Discover Magazine in eine Liste von Top 100 Entdeckungen gewählt.

Für Epstein war die Gründung eines privatwirtschaftlichen Unternehmens der beste Weg, um Ergebnisse zu erzielen. Ihr iChip ist keine rein akademische Arbeit, sondern ein praktisches Werkzeug, das auf aktuelle Bedürfnisse zugeschnitten ist. Daher teilen sich beide weiterhin ihre Zeit zwischen ihrer akademischen Tätigkeit und der Beratung bei iChip-bezogenen Projekten auf.

Antibiotikaresistenz stellt eine kritische Gesundheitsbedrohung dar. Ohne eine neue Generation von Antibiotika könnten die sogenannten Superbugs bis zum Jahr 2050 bis zu 10 Millionen Menschenleben pro Jahr fordern. Der globale Markt für klinische Mikrobiologie wurde 2016 auf 8,3 Mrd. EUR geschätzt, und es wird erwartet, dass er bis 2025 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 6,7 % auf 15,2 Mrd. EUR anwächst. Das Unternehmen von Lewis und Epstein ist gut aufgestellt, um in diesem Umfeld eine Schlüsselrolle zu spielen.

Ihre Erfindung ist auch ein hervorragendes Beispiel dafür, wie eine Low-Tech-Lösung wissenschaftliche Praktiken verändern kann und letztlich den Menschen Vorteile bringt. Da er es Forschern ermöglicht, Bakterien zu isolieren und zu erforschen, trägt der iChip nicht nur dazu bei, die antimikrobielle Resistenz zu bekämpfen, sondern hat auch das Potenzial, die Entwicklung von Medikamenten zur Behandlung anderer Krankheiten zu unterstützen, wie zum Beispiel Krebsmedikamente, Entzündungshemmer und Immunsuppressiva.