Mit Zucker überzogene Goldnanopartikel könnten einige Antibiotika ersetzen

Eine neue Therapie mit Laserlicht und mit Zucker überzogenen Goldnanopartikeln kann schleimige Bakterienansammlungen, sogenannte „Biofilme“, schnell zerstören, die Karies verursachen und Wunden infizieren, und das alles ohne Antibiotika.

Das verspricht ein Forscherteam unter der Leitung der University of Pennsylvania, das das Potenzial der Behandlung in Studien mit Mäusen und Ratten demonstrierte.

Die Technik, die nachweislich sowohl ein herkömmliches antimikrobielles Mittel als auch ein Antiseptikum übertrifft, könnte weitreichende Anwendungen finden.

Schätzungen zufolge leiden jedes Jahr Millionen Menschen in den Vereinigten Staaten an infizierten Wunden, während fast die Hälfte der Weltbevölkerung von Karies betroffen ist.

Das Konzept des Biofilms wird jedem bekannt sein, der beim Durchqueren schon einmal auf einem schleimbedeckten Felsen ausgerutscht ist. Bei diesem abstoßenden Durcheinander handelt es sich in Wirklichkeit um eine Stadt aus Mikroben, die alle zusammengeklebt und mit einem leimartigen Sekret bedeckt sind.

Ein noch größeres Problem im menschlichen Körper stellen Biofilme dar, die sich in offenen Wunden bilden, den Heilungsprozess verzögern und sich auf den Zähnen in Plaques ansammeln, die Karies verursachen und zu schmerzhaften Karies führen können.

Die Herausforderung bei diesen Folien besteht darin, dass die viskose Substanz, die sie zusammenhält, auch die Bakterien schützt und sie beispielsweise vor dem Angriff von Antibiotika schützt.

„Mit dieser Plattform können Sie Biofilme ohne Operation entfernen.“ [cleaning] Infektionen, die bei der Verwendung von Antibiotika notwendig sein können“, sagte Luisa Russell vom National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering in einer Erklärung.

„Außerdem könnten mit dieser Methode Patienten behandelt werden, die gegen Antibiotika allergisch oder mit arzneimittelresistenten Stämmen infiziert sind.“ „Die Tatsache, dass diese Methode antibiotikafrei ist, ist eine große Stärke.“

In ihrer Studie schufen die biomedizinische Ingenieurin Maryam Hajfathalian und ihre Kollegen nanoskopische Werkzeuge, indem sie Goldkugeln in größere Goldkäfige einschlossen.

Wenn Licht auf diese speziellen kombinierten Partikel fällt, senden sie Ultraschall aus. Dies kann aufgezeichnet und zur Rekonstruktion eines Bildes des Partikelortes verwendet werden.

Und durch die Beschichtung der goldenen Käfige mit Dextran – einer Zuckerart, die üblicherweise zur Bildung von Biofilmen verwendet wird – konnte das Team sicherstellen, dass die Partikel dort landeten, wo sich die Bakterien befanden.

Das Team entwickelte daher ein Werkzeug zur Abbildung von Biofilmen, die schwer zu identifizieren sein können. Das Partikeldesign ermöglichte es ihnen jedoch, noch weiter zu gehen.

Wenn ein Laser auf die Goldnanopartikel gerichtet wird, wandeln diese ebenfalls die Lichtenergie in Wärme um, wodurch die Bakterien abgetötet werden. Dies ist eine Technik, die als „photothermische Therapie“ bekannt ist.

Gold ist eine ideale Substanz für die photothermische Therapie, nicht nur, weil es Licht leicht in Wärme und Ultraschall umwandelt, sondern auch, weil es ungiftig ist.

Um das Potenzial ihrer photothermischen Therapie zu testen, trug das Team seine Nanopartikel auf beide Zähne auf, die aus dem Kiefer von Ratten gewonnen und damit beschichtet worden waren Streptococcus mutans; sowie auf offene Wunden, bei Mäusen, infiziert mit Staphylococcus aureus.

Bei den Zahnexperimenten konnte das Team durch das auf die Partikel fallende Licht deutlich erkennen, wo sich die Biofilme angesammelt hatten.

Bei Verwendung eines Nahinfrarotlasers konnten die Partikel 100 Prozent der Plaque abtöten.

Im Gegensatz dazu hat die Behandlung mit dem topischen Antiseptikum Chlorhexidin, einem häufigen Bestandteil von Mundwässern, nur geringe Auswirkungen auf zahninfizierende Bakterien.

„Die Behandlungsmethode ist besonders schnell bei oralen Infektionen“, stellte Hajfathalian in einer Erklärung fest.

„Wir haben den Laser eine Minute lang angewendet, aber tatsächlich haben wir in etwa 30 Sekunden fast alle Bakterien abgetötet.

In Tests mit Mäusen mit offenen Wunden stellte das Team fest, dass die photothermische Therapie Gentamicin, ein zum Vergleich verwendetes antimikrobielles Mittel, deutlich übertraf.

Gleichzeitig konnte das Team einen Temperaturanstieg von 36 F (20 C) im behandelten Biofilm feststellen, ohne erkennbare Auswirkungen auf das umliegende Gewebe.

„Ich denke, es ist wichtig zu sehen, wie kostengünstig, einfach und schnell dieser Prozess ist“, sagte Hajfathalian.

Um zu verhindern, dass Bakterien eine größere Resistenz gegen Antibiotika entwickeln, muss der Einsatz dieser Medikamente sorgfältig kontrolliert werden.

„Da der Einsatz von Antibiotika bei uns begrenzt ist, brauchen wir neue Behandlungen wie diese, um sie zu ersetzen“, erklärte Hajfathalian.

Nach Abschluss ihrer ersten Studie wollen die Forscher nun untersuchen, ob ihre Nanopartikeltherapie dazu beitragen könnte, Zahnkaries vorzubeugen oder die Heilung behandelter Wunden zu beschleunigen.

Die vollständigen Ergebnisse der Studie wurden in veröffentlicht Das Clinical Investigation Journal.

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