Neue Antifouling-Beschichtung Stopp den Blob: Beschichtung gegen Biofilme

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Ob an der Türklinke oder am künstlichen Knie – Oberflächen, mit denen wir Menschen in Kontakt kommen, sollten frei von gefährlichen Bakterien sein. Damit sich keine so genannten Biofilme bilden, kommen spezielle Beschichtungen zum Einsatz. Eine neue Antifouling-Beschichtung hat nun ein niederländisches Forscherteam entwickelt. Sie stoppt Bakterien, ist aber biokompatibel für Säugerzellen.

Viele Bakterien haben eine Strategie entwickelt, ihre Überlebenschancen auch in für sie ungeeigneten Umgebungen zu erhöhen. Sie bilden so genannte Biofilme auf Oberflächen. Dies passiert auch beispielsweise auf der Oberfläche von Implantaten, Kathetern, Beatmungsschläuchen und anderen medizintechnischen Bauteilen, was eine ernsthafte Gesundheitsgefahr darstellt.

Ein niederländisches Forschungsteam stellt in der Zeitschrift Angewandte Chemie nun ein neues Material auf Basis so genannter Poly(Schwefel-Ylide) vor, das als Beschichtung diesen als Fouling bezeichneten Vorgang der Biofilm-Entstehung effektiv hemmt. Die Beschichtung minimiert die Haftung der Bakterien auf der Oberfläche und wirkt außerdem bakterizid. Säugerzellen werden dagegen nicht beeinträchtigt.

Oberfläche vor Bakterienanhaftung schützen

In Biofilmen organisierte Bakterien sind besonders hartnäckig und oft resistent gegenüber Antibiotika. Schätzungen zufolge stammen 65 Prozent der im Krankenhaus erworbenen Infektionen von Biofilmen. Ursache sind häufig Kontaminationen mit opportunistischen Bakterien von der Haut von Patienten oder Pathogene, die in der Blutbahn zirkulieren.

Erster Schritt der Biofilm-Entstehung ist die Anhaftung der Bakterien an eine Oberfläche. Um dies zu verhindern, werden gefährdete Oberflächen mit Antifouling-Beschichtungen versehen, üblicherweise mit Polyethylenglykol (PEG). PEG bindet Wassermoleküle, die dann eine Hydratationsschicht bilden – eine effektive Barriere gegen die unerwünschte Adsorption von Biomolekülen und Bakterienzellen. PEG hat aber auch Nachteile, wie jüngere Forschungen ergeben haben: So scheint es Immunreaktionen auslösen zu können.

Nanostrukturierte Oberflächen gegen Biofilme

Antibakterielle Oberflächen: Materialtest im All

Bestmögliche Zwitterionen haben kleinen Abstand der Ladungen

Eine Alternative sind Polybetaine, eine Klasse zwitterionischer Polymere, also Makromolekülen, die sowohl positive als auch negative Ladungen tragen. Neure Studien sprechen dafür, dass deren Antifouling-Effekt zunimmt, je geringer der Abstand zwischen den positiven und negativen Ladungen ist. Am wirksamsten sollten demnach Stoffe sein, bei denen das positiv und das negativ geladene Atom direkt benachbart sind – eine Forderung, die mit einer konventionellen Betain-Struktur nicht erfüllt werden kann.

Genau das ist aber das einzigartige strukturelle Merkmal der so genannten Ylide. So ist etwa bei einem Schwefel-Ylid ein positiv geladenes Schwefelatom direkt an ein negativ geladenes Kohlenstoffatom gebunden. Damit sollte es bestens gegen das Anhaften von Bakterien auf Oberflächen wirken.

Poly(Schwefel-Ylide) wirken gleich doppelt

Das Forscherteam um Daniela A. Wilson und Kevin Neumann von der niederländischen Radboud-Universität in Nijmegen stellte auf der Basis von Schwefel-Yliden zwitterionische Polymere her: Poly(Schwefel-Ylide), abgekürzt als P(SY), die Schwefel-Ylide als Seitengruppen an einem Rückgrat aus Polystyrol tragen. Das Team hat nachgewiesen, dass die neuen P(SY) Antifouling-Eigenschaften zeigen, die diejenigen von PEG übertreffen. Dies scheint auf einem synergistischen Effekt aus zwei Wirkprinzipien zu beruhen.

Zum einen sorgen P(SY) analog zu PEG für Hydratationsschichten, die das Anhaften von Bakterien sowie Biomolekülen effektiv hemmen. Anders als PEG haben P(SY) zusätzlich den Vorteil, dass sie die Lebensfähigkeit von Bakterien verringern, die die Barriere der Hydratationsschicht überwinden konnten. Zunächst binden diese vermutlich durch elektrostatische Anziehung an die Ylid-Gruppen. Kommen sie dann in Kontakt mit dem hydrophoben Polystyrol-Rückgrat, werden ihre Zellmembranen löchrig, die Bakterienzellen sterben ab. Säugerzellen werden dagegen nicht durch P(SY) beeinträchtigt. So konnten Fibroblasten, ein Typ Bindegewebszellen, auf Poly(Schwefel-Ylid)-Beschichtungen gezüchtet werden.

Die Ergebnisse sind ein erstes Indiz dafür, dass Beschichtungen mit P(SY) als Maßnahme gegen Biofilme, z. B. auf medizinischen Bauteilen, geeignet wären.

Originalpublikation: Bela B. Berking, Georgia Poulladofonou, Dimitrios Karagrigoriou, Prof. Dr. Daniela A. Wilson, Dr. Kevin Neumann: Zwitterionic Polymeric Sulfur Ylides with Minimal Charge Separation Open a New Generation of Antifouling and Bactericidal Materials, Angewandte Chemie, Wiley VCH, First published: 19 August 2023; DOI: 10.1002/anie.202308971

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