Der breite und unspezifische Einsatz von Antibiotika hat dazu geführt, dass sich mikrobielle Resistenzen gegen Antibiotika rasant ausgebreitet haben. Antibiotikaresistente Keime verursachen jährlich etwa 700 000 Todesfälle weltweit. Nach Angaben des Fraunhofer IGB seien in vielen dieser Fälle Patienten und Patientinnen mit nicht wirksamen Antibiotika therapiert worden, weil Resistenzen der Erreger zu spät nachgewiesen wurden.

Ein transatlantisches Fraunhofer-Forschungsprojekt will mit einem neuen Ansatz nun eine Diagnostikplattform entwickeln, die schnell und einfach nachweist, ob eine Infektion mit resistenten Bakterien vorliegt. Leitende Institution des Projekts ist das Fraunhofer USA Center for Manufacturing Innovation CMI mit Sitz in Boston. Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg und dem Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart wird in den kommenden 18 Monaten eine neuartige Plattform zur schnellen phänotypischen Antibiotikaresistenztestung (AST) entwickelt.

"Die klinische Mikrobiologie braucht dringend flexible und schnelle AST-Tools, die mit der Geschwindigkeit des Infektionsgeschehens Schritt halten können", erklärt Jan Stegemann, Projektleiter am Fraunhofer IMS. "Unser Ziel ist eine funktionale Plattform, die noch deutlich vor dem Zelltod des Erregers metabolische Veränderungen als zelluläre Stressreaktion auf ein Antibiotikum erkennt und so eine frühzeitige, evidenzbasierte Therapieentscheidung unterstützt."

Zahlreiche Systeme basieren auf Zellkulturen in Mikrotiterplatten und können acht bis 16 Stunden benötigen, um zu einem Ergebnis zu kommen. Die sog. Plattform "µFLOWDx" soll künftig in nur wenigen Minuten verwertbare Erkenntnisse liefern.

Dies will das interdisziplinäre Projektteam mit einem innovativen Lösungsansatz erreichen. Damit der schnelle Nachweis funktioniert, müssen die aus Patientenproben stammenden Bakterien zum einen in der Messzelle angebunden werden. Dazu wird das mikrofluidische System der Diagnostikplattform mit speziellen Oberflächen ausgestattet, die eine hohe Adhäsion zu den Erregern zeigen. Zum anderen beinhaltet das System hochsensitive optische Sensoren auf Basis von fluoreszierenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Werden als Reaktion auf ein Antibiotikum Moleküle freigesetzt, die zellulären Stress anzeigen, etwa ATP oder Wasserstoffperoxid (H₂O₂), verändern die Sensoren ihre Fluoreszenz. So könnte die mikrobielle Resistenz in Echtzeit durch Überströmen der adhärierten Patientenbakterien mit typischen Antibiotika untersucht werden: Ist der Erreger gegen das getestete Antibiotikum resistent, ändert sich das Fluoreszenzsignal des Sensors nicht.

Interdisziplinäres Team

Die Projektpartner bringen unterschiedliche Expertisen ein: Um eine hohe bakterielle Adhäsion an der Oberfläche der Mikrofluidik zu erreichen, entwickelt das Fraunhofer IGB geeignete Oberflächenmodifikationen. Für die Detektion von zellulären "Stress"-Molekülen bringt das Fraunhofer IMS seine Expertise in der Entwicklung sensitiver optischer Biosensoren basierend auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen ein. Beide Komponenten werden in der mikrofluidischen Plattform vom Fraunhofer USA CMI integriert. Das im Rahmen eines Fraunhofer-internen Programms zur Stärkung transatlantischer Forschung geförderte Projekt soll bis 31.12.2026 laufen.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB