Klinikkeime: Bakterizide Mission im All

Saarbrücken/Cape Canaveral. Multiresistente Erreger (MRE) wie MRSA (Methicillin resistenter Staphylococcus aureus) oder CDI (Clostridium difficile) sind weiter eine große Herausforderung im Kontext der Krankenhaushygiene. Das Robert Koch Institut (RKI) taxiert alleine für Deutschland die Zahl der nosokomialen Infektionen auf 400.000 bis 600.000 pro Jahr. Die Zahl der Todesfälle liegt laut RKI jährlich bei 10.000 bis 20.000. Somit steht der Kampf gegen MRE weiter ganz oben auf der Agenda der Klinikhygieniker.

Könnten Erkenntnisse aus dem All weiterhelfen? Am Samstag startet SpaceX in Cape Canaveral mit der Falcon 9-Rakete zur Internationalen Raumstation ISS. An Bord der Dragon-Raumkapsel werden hunderte Proben des Saarbrücker Materialforschers Frank Mücklich und seines Teams mit ins All fliegen. Sie entwickeln völlig neuartige, mit einer Laserinterferenz-Technik strukturierte Oberflächen, die verhindern, dass sich auf ihnen MRE ansiedeln und vermehren. ESA-Astronaut Matthias Maurer, selbst Absolvent der Universität des Saarlandes und erster Diplomand von Mücklich, wird die Experimente der Saarbrücker Materialwissenschaft auf der ISS betreuen.

Teils rechtliche Hindernisse gegen Kupfereinsatz in Kliniken

Das Problem für Kliniken ist, wie der Professor für Funktionswerkstoffe der Universität des Saarlandes im Gespräch mit der „Ärzte Zeitung“ verdeutlicht, die Frage, wie die Besiedelung von Oberflächen durch MRE verhindert werden könne. Bekannt sei, dass das bakterizide Kupfer auf Oberflächen eingesetzt werden könne. „Wir haben in vorangegangenen Forschungsarbeiten genauer erforscht, wie wir MRE auf metallischen Oberflächen mit Kupferionen abtöten“, so Mücklich. Teils gebe es aber rechtliche Hindernisse für den Einsatz von Kupfer.

Eine ganz andere Variante ist, eine durch Laserinterferenztechnik möglich gewordene maßgeschneiderte Mikrotopographie zu nutzen und damit auch möglichst unabhängig von der chemischen Natur des Werkstoffs die Besiedelung der Oberfläche zu verhindern. Hierzu soll nun im All die Brücke geschlagen werden.

Biofilmen den Kampf angesagt

„Wir schaffen mit der von uns entwickelten Laser-Technik verschiedene neuartige Oberflächen, die verhindern sollen, dass sich Biofilme bilden“, verdeutlicht Mücklich. Ziel sei, dass sich bei Weltraummissionen innerhalb der Raumstation keine Keime ausbreiten, die etwa durch die erhöhte Strahlenbelastung im isolierten Umfeld auch stärker mutieren könnten. Dies sei wichtig vor allem auch mit Blick auf die Zukunft, wenn Astronauten noch viel länger als bisher im Weltraum bleiben sollen, wie etwa bei einem bemannten Flug zum Mars.

Mikroorganismen könnten gefährlich werden für die Menschen an Bord, aber auch für die technischen Systeme: „Die Biofilme können zum Beispiel lebenswichtige Kondensatleitungen verstopfen, aber auch Materialschäden herbeiführen und so die Funktionsfähigkeit der sensiblen Technik gefährden. Bakterien können auf metallischen Oberflächen auch chemische Prozesse in Gang setzen, die dazu führen, dass das Material korrodiert“, erläutert Mücklich.

Reaktionsspektrum der Bakterien im Fokus

Zurück auf der Erde, könnten diese neuartigen Oberflächen helfen, den Bakterien zum Beispiel in Kliniken das Leben schwerer zu machen. „Materialien, die für die Raumfahrt entwickelt wurden, führen oft zu Innovationen auch für den täglichen Gebrauch. Über den Vergleich der Wirkung der Mikrogravitation auf der ISS und unserer Gravitation auf der Erde lernen wir systematisch mehr über das mögliche Reaktionsspektrum der Bakterien“, so Mücklich.

Für diese Mission haben die Forscher mit einer neuartigen Lasertechnik auf der Mikroebene der Oberflächen von Kupfer-, Messing- und Stahl-Proben mikroskopisch feine, periodische Strukturen „eingraviert“. „Wir gestalten mit unserer neuartigen Laserinterferenz-Technologie gezielt und effizient eine Mikrotopographie der Oberflächen – de facto ´ohne Chemie´. So wollen wir herausfinden, ob und wie Keime sich darauf in der Schwerelosigkeit ansiedeln und wie eine nanometergenaue Laserstrukturierung verhindern kann, dass sich Bakterienstämme ausbreiten“, erklärt Mücklich.

Im Einsatz: Nagelbrett, Sessel und Glätte

Mit seinem Team entwickelt er seit 15 Jahren diese Laserinterferenz-Technologie (Direct Laser Interference Patterning/DLIP), die er zur Marktreife gebracht hat. Sie mache es möglich, mikroskopisch feine, dreidimensionale Muster zu erzeugen. „Diese Muster haben eine Dimension von einigen Mikro- bis zu hundert Nanometern“, sagt er. Bei den mikrostrukturierten Oberflächen der Proben, die sein Team jetzt ins All schickt, handelt es sich einmal um eine Art „Nagelbrett“ von Submikrometergröße, das es Bakterien schwer machen soll, anzudocken. Weitere haben eine Mulden-Struktur von vielen aneinandergereihten „Sesseln“ im Mikrometer-Maßstab, die es erleichtern soll, Bakterien, die hier sehr gut Platznehmen können, durch maximalen Oberflächenkontakt zusätzlich mit Kupfer-Ionen abzutöten. Und die dritte Art der Oberflächen haben die Forscher so bearbeitet, dass sie absolut glatt sind und als Referenz dienen.

Insgesamt sind es 230 Proben, die jetzt an Bord des SpaceX-Versorgungsfluges zur ISS starten; jeweils rund 30 der drei verschiedenen Mikro-Strukturtypen – Nagelbrett, Sessel und glatt – auf jeweils drei metallischen Materialien: auf reinem Kupfer, auf dem Bakterien durch die Kupfer-Ionen nach kurzer Zeit absterben, auf einer Kupfer-Zink-Legierung, allen bekannt als Messing, und auf reinem Edelstahl, das keinen chemischen Einfluss haben sollte. ESA-Astronaut Mathias Maurer wird nach seiner Ankunft auf der ISS Ende Oktober das Forschungsprojekt betreuen. Maurer wird auf der ISS Experimente mit den 230 Probenträgern ausführen, und diese mit unterschiedlichen Bakterienstämmen besiedeln.

Nach Abschluss der Experimente werden die Proben materialwissenschaftlich an der Universität des Saarlandes und astrobiologisch am DLR in der Arbeitsgruppe von Ralf Möller untersucht. Es geht darum, herauszufinden, welche Oberflächen-Laserstrukturierung durch DLIP in welcher Größenordnung unter den Weltraumbedingungen auf der ISS wie Schwerelosigkeit, Mikrogravitation und Strahlung am wirksamsten ist. Wie und wann Kliniken konkret von der Weltraummission direkt profitieren können, bleibt allerdings offen.