Bioinspirierte Technologien

Antibiotika-Spiegel über den Atem messbar

Eine schnelle Überwachung von Antibiotika-Werten wäre in vielerlei Hinsicht von Vorteil. Hier scheint es jetzt Fortschritte gegeben zu haben.

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Mikrofluidik-Multiplex-Biosensor: er trägt auf einem Polymerfilm befestigte Proteine, die Antibiotika erkennen.

Mikrofluidik-Multiplex-Biosensor: Er trägt auf einem Polymerfilm befestigte Proteine, die Antibiotika erkennen.

© Patrick Seeger / Universität Freiburg

Freiburg. Forscherinnen und Forscher der Universität Freiburg haben erstmals bei Säugetieren in Atemproben die Konzentration von Antibiotika bestimmt (Advanced Materials 2021, online 21. September). Die Atemmessungen entsprachen dem Antibiotikagehalt im Blut, heißt es in einer Mitteilung der Universität.

Der Biosensor des Teams – ein sogenannter Multiplex-Chip für die gleichzeitige Messung von mehreren Messproben und Teststoffen – soll die personalisierte Dosierung der Medikamente gegen Infektionskrankheiten vor Ort ermöglichen und helfen, die Entwicklung resistenter Bakterienstämme zu verringern.

Bakterienproteine als Sensor

Der Sensor, den eine Forschungsgruppe um Dr. Can Dincer und H. Ceren Ates, FIT Freiburger Zentrum für interaktive Werkstoffe und bioinspirierte Technologien, und Professor Wilfried Weber, Universität Freiburg, entwickelt hat, beruht auf synthetischen Proteinen, die auf Antibiotika reagieren und damit eine Stromänderung erzeugen.

Der Mikrofluidik-Biosensor trägt auf einem Polymerfilm befestigte Proteine, die Beta-Laktam-Antibiotika wie Penicillin erkennen. Das in der Probe untersuchte Antibiotikum und ein enzymgekoppeltes Beta-Lactam konkurrieren um die Bindung dieser bakteriellen Proteine. Diese Konkurrenz erzeugt eine Stromänderung wie in einer Batterie: Je mehr Antibiotikum in der Probe vorhanden ist, desto weniger Enzymprodukt entsteht, was zu einem geringeren messbaren Strom führt.

„Wir schlagen die Bakterien mit ihren eigenen Waffen“

Das Verfahren basiert auf einem natürlichen Rezeptorprotein, mit dem resistente Bakterien das für sie gefährliche Antibiotikum erkennen. „Wir schlagen die Bakterien sozusagen mit ihren eigenen Waffen“, beschreibt Weber das von seiner Gruppe entwickelte Verfahren. Die Forschenden testeten den Biosensor an Blut, Plasma, Urin, Speichel und im Atem von Schweinen, die Antibiotika erhielten.

Sie wiesen nach, dass die Messungen mittels Biosensoren im Plasma der Schweine so zuverlässig sind wie das Standardlaborverfahren in der Medizin. Atemmessungen waren zuvor nicht möglich: „Bisher konnten Forschende nur Spuren von Antibiotika im Atem nachweisen. Mit unseren synthetischen Proteinen auf einem Mikrofluidik-Chip, bestimmen wir kleinste Konzentrationen im Atemgaskondensat und diese korrelieren mit den Blutwerten“, wird Dincer in der Mitteilung zitiert.

Stabile Antibiotikapegel bei schweren Infektionen

Bei schweren Infektionen gilt es ja, den Antibiotikapegel im Blut innerhalb eines personalisierten therapeutischen Bereichs stabil zu halten. Ansonsten drohen etwa Sepsis und Organversagen bis hin zum Tod. Außerdem können sich die Bakterien bei niedriger Antibiotika-Gabe so verändern, dass die Medikamente nicht mehr wirken: Sie werden resistent. „Die schnelle Überwachung der Antibiotika-Werte wäre in der Klinik von großem Nutzen“, so Ates. „Die Methode ließe sich möglicherweise in eine herkömmliche Gesichtsmaske einbauen.“

Dincer entwickelt in einem weiteren Projekt an der Universität Freiburg tragbare Papiersensoren für die kontinuierliche Messung von Biomarkern im Atem. Zur Validierung des Antibiotikasensors sind klinische Tests geplant, die das System an menschlichen Proben prüfen. (eb)

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