Graphen bindet Medikamente, die Bakterien auf medizinischen Implantaten abtöten
Einfache Methode ebnet den Weg für zukünftige Medikamente
bakterielle Infektionen im Zusammenhang mit medizinischen Implantaten stellen eine enorme Belastung für das Gesundheitswesen dar und verursachen bei Patienten weltweit großes Leid. Nun haben Forscher der Chalmers University of Technology, Schweden, eine neue Methode entwickelt, um solche Infektionen zu verhindern, indem sie ein Material auf Graphenbasis mit bakterientötenden Molekülen beschichten.
Die Usninsäure (gelb) ist in die Graphenbeschichtung des Implantats integriert und wird von dieser freigesetzt. Die Usninsäure tötet die Bakterien (grün) ab und verhindert dadurch, dass sie infektiöse Biofilme auf der Oberfläche bilden.
Yen Strandqvist/Chalmers University of Technology
"Durch unsere Forschung ist es uns gelungen, wasserunlösliche antibakterielle Moleküle an das Graphen zu binden und die Moleküle kontrolliert und kontinuierlich aus dem Material freizusetzen", sagt Santosh Pandit, Forscher am Department of Biology and Biological Engineering in Chalmers und Erstautor der Studie, die kürzlich in Scientific Reports veröffentlicht wurde.
"Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für das Funktionieren der Methode. Die Art und Weise, wie wir die aktiven Moleküle an das Graphen binden, ist ebenfalls sehr einfach und könnte leicht in industrielle Prozesse integriert werden".
Bestimmte Bakterien können auf chirurgischen Implantaten, wie z. B. Zahnimplantaten und anderen orthopädischen Implantaten, undurchdringliche Oberflächenschichten, so genannte Biofilme, bilden, die weltweit ein großes Problem für das Gesundheitswesen darstellen. Biofilme sind widerstandsfähiger als andere Bakterien, und die Infektionen sind daher oft schwer zu behandeln, was zu großem Leid für die Patienten führt und in den schlimmsten Fällen die Entfernung oder den Ersatz der Implantate erforderlich macht. Abgesehen von den Auswirkungen auf die Patienten ist dies mit hohen Kosten für die Gesundheitsdienstleister verbunden.
Graphen ist als Befestigungsmaterial geeignet
Es gibt eine Vielzahl von wasserunlöslichen oder hydrophoben Medikamenten und Molekülen, die aufgrund ihrer antibakteriellen Eigenschaften verwendet werden können. Damit sie jedoch im Körper eingesetzt werden können, müssen sie an ein Material gebunden werden, dessen Herstellung schwierig und arbeitsintensiv sein kann.
"Graphen bietet hier ein großes Potenzial für die Interaktion mit hydrophoben Molekülen oder Medikamenten, und diese Eigenschaften haben wir uns bei der Entwicklung unseres neuen Materials zunutze gemacht. Der Prozess der Bindung der antibakteriellen Moleküle findet mit Hilfe von Ultraschall statt", sagt Santosh Pandit.
In der Studie wurde das Graphenmaterial mit Usninsäure beschichtet, die aus Flechten, z. B. der Fruchtflechte, gewonnen wird. Frühere Forschungen haben gezeigt, dass Usninsäure gute bakterientötende Eigenschaften hat. Sie wirkt, indem sie die Bakterien an der Bildung von Nukleinsäuren hindert, insbesondere die RNA-Synthese hemmt, und so die Proteinproduktion in der Zelle blockiert.
Einfache Methode ebnet den Weg für zukünftige Medikamente
Die Usninsäure wurde auf ihre Resistenz gegenüber den pathogenen Bakterien Staphylococcus aureus und Staphylococcus epidermidis getestet, zwei häufigen Verursachern der Biofilmbildung auf medizinischen Implantaten. Das neue Material der Forscher wies eine Reihe von vielversprechenden Eigenschaften auf. So gelang es ihnen nicht nur, die Usninsäure in die Oberfläche des Graphenmaterials zu integrieren, sondern sie beobachteten auch, dass die Usninsäuremoleküle kontrolliert und kontinuierlich freigesetzt wurden, wodurch die Bildung von Biofilmen auf der Oberfläche verhindert wurde.
"Noch wichtiger ist, dass unsere Ergebnisse zeigen, dass die Methode zur Bindung der hydrophoben Moleküle an Graphen einfach ist. Sie ebnet den Weg für einen wirksameren antibakteriellen Schutz von biomedizinischen Produkten in der Zukunft. Wir planen nun Versuche, bei denen wir die Bindung anderer hydrophober Moleküle und Medikamente mit noch größerem Potenzial zur Behandlung oder Vorbeugung verschiedener klinischer Infektionen untersuchen werden", sagt Santosh Pandit.
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