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Implantatbeschichtungen Peptide könnten Implantate vor Keimen schützen

Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Das Potenzial einer neuen antibakteriellen Peptid-basierten Beschichtung für Implantate erläutert Dr. Kai Hilpert vom Karlsruher Institut für Technologie im LABORPRAXIS-Interview.

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Dr. rer. nat. Kai Hilpert, Gruppenleiter "Bioaktive Peptide" am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Funktionelle Grenzflächen (Bild: Rebecca A. Klady)
Dr. rer. nat. Kai Hilpert, Gruppenleiter "Bioaktive Peptide" am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Funktionelle Grenzflächen (Bild: Rebecca A. Klady)

LABORPRAXIS: Herr Dr. Hilpert, Sie haben am KIT-Institut für Funktionelle Grenzflächen (IFG) gemeinsam mit Wissenschaftlern der University of British Columbia eine neuartige Schutzschicht aus kurzen Peptiden entwickelt, die die Entstehung von Biofilmen auf der Oberfläche von Implantaten verhindern soll. Wie sind Sie bei Ihren Untersuchungen vorgegangen?

Dr. Kai Hilpert: Seit 2005 beschäftige ich mich mit antibakteriellen Peptiden, die in einer wässrigen Lösung in der Lage sind Bakterien, Pilze und Viren abzutöten. Ich habe 2007 entdeckt, dass kurze kationische Peptide – selbst wenn sie auf einer Oberfläche gebunden sind – in der Lage sind, sowohl Gram-negative als auch Gram-positive Bakterien abzutöten. Ich habe daraufhin ein Assay entwickelt, mit dem es möglich ist, auf oberflächenaktive Peptide hin zu „screenen“. Einige der am stärksten wirksamen Peptide wurden gemeinsam mit Kollegen von der University of Britisch Columbia (UBC) näher untersucht. Hierzu wurde ein Polymer auf eine Titanoberfläche aufgetragen. Im Anschluss wurden verschiedene Peptide gekoppelt und der Einfluss der Peptid-Polymer-Beschichtung auf Bakterien getestet. Als Modell wurde hier das Gram-negative Bakterium Pseudomonas aeruginosa verwendet.

LABORPRAXIS: Zu welchen Ergebnissen sind Sie dabei gelangt?

Dr. Hilpert: Mit einem speziell modifizierten lumineszierenden Stamm wurde der antibakterielle Einfluss der Beschichtung auf die Bakterien nach vier Stunden nachgewiesen. Zusätzlich dazu wurden auch Titandrähte beschichtet und die antibakterielle Wirkung der Beschichtung nach vier Stunden durch die Bestimmung der koloniebildenden Einheiten ermittelt. Hierzu wurden sowohl P. aeruginosa als auch Staphylococcus aureus eingesetzt. Eine Aussage, ob die Bakterien tatsächlich abgetötet werden oder nicht mehr kultivierbar sind, steht noch aus. Einige der beschichteten Titanplättchen wurden auch benutzt, um den Einfluss der Beschichtung auf die Biofilmbildung mit P. aeruginosa zu testen. Nach einer Woche Inkubation in nährstoffhaltigem Medium wurden auf den unbeschichteten Titanplättchen im Mittel 1268 Bakterien, auf Plättchen mit dem Peptid 26 nur acht Bakterien pro 0,035 mm2 gezählt. Inwieweit dieser Erfolg bei längerer Inkubation oder am Implantat im Menschen übertragbar ist, muss noch erforscht werden. Bei der Herstellung von Beschichtungen für Implantate ist es sehr wichtig, die Toxizität auf menschliche Zellen und den Einfluss auf das Blut zu testen. Mithilfe von osteoblasten-ähnlichen humanen Zellen (MG-63, ATCC CRL-1427, USA) konnten wir ermitteln, dass das Zellwachstum und die Viabilität durch die Peptidbeschichtung nicht inhibiert wurde. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Peptidbeschichtung keinen negativen Einfluss auf die Aktivierung und Adhäsion von Blutplättchen hat und auch keine Aktivierung des Komplementsystems erfolgt. Durch einen weiteren Versuch mit Ratten konnten wir belegen, dass die gemessenen Effekte, d.h. Verringerung der Anzahl der kultivierbaren Bakterien und keine Toxizität, auch in vivo reproduzierbar sind.

LABORPRAXIS: Welche Methoden haben Sie zur Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften angewandt?

Dr. Hilpert: Die meisten Tests wurden an der UBC durchgeführt. Der Nachweis der Peptidkopplung an das Polymer erfolgte mittels abgeschwächter Totalreflexion-Fourier-Transformation-Infrarotspektroskopie (ATR-FTIR), wohingegen die Dicke des Polymers per Ellipsometrie (VASE) bestimmt wurde. Weiterhin wurde der Wasserkontaktwinkel gemessen, um Veränderungen der Oberflächeneigenschaften hinsichtlich der Hydrophobie zu charakterisieren. Die Peptid-Konformation auf der Oberfläche wurde mithilfe des Circulardichroismus (CD) bestimmt. Dazu wurde die Peptid-Polymer-Beschichtung auf Quarzglas aufgebracht. Die Schichtdicke des Polymers auf dem Quarzglas wurde mittels Rasterkraftmikroskopie bestimmt.

LABORPRAXIS: Wie sind die Peptide innerhalb der Schutzschicht zusammengesetzt? Welche Eigenschaften haben die Bestandteile?

Dr. Hilpert: Ein ausgewähltes Peptid wird an eine Polymerschicht gebunden. Die Polymerschicht ist hydrophil und erlaubt die Bindung einer großen Anzahl von Peptidmolekülen pro Fläche. Die Peptide sind kationisch und können zumindest in wässriger Lösung die Anzahl der kultivierbaren Bakterien stark reduzieren. Ob die Peptide die Bakterien auf der Oberfläche tatsächlich komplett abtöten oder nur eine „unwirtliche“ Umgebung schaffen, muss noch erforscht werden.

LABORPRAXIS: Lassen sich Ihre Forschungsergebnisse auch auf andere Oberflächen anwenden?

Dr. Hilpert: Im Prinzip können viele Materialien mit dieser Methode beschichtet werden, bisher haben wir Titan und Glas erfolgreich getestet. Eine Modifikation von anderen Metallen ist denkbar. Zur Zeit arbeiten wir auch an der Modifikation von Plastikoberflächen, wie sie z.B. bei Kathetern verwendet werden.

Herr Dr. Hilpert, vielen Dank für das Gespräch.

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