Antibiotikaresistenz: Neue Sensoren sollen Superkeime früh erkennen

Die weltweite Ausbreitung antibiotikaresistenter Keime bringt die medizinische Versorgung zunehmend an ihre Grenzen. Schätzungen zufolge könnte die Zahl der Todesfälle durch multiresistente Bakterien im Jahr 2028 ähnlich hoch sein wie vor der Entdeckung des Penicillins – also vor rund 100 Jahren.

Die WHO warnt vor einer «stillen Pandemie» – mit Kosten in Milliardenhöhe.

Ein Hauptgrund: Antibiotika werden oft eingesetzt, bevor klar ist, welcher Erreger vorliegt. Weil klassische Diagnosen Tage dauern, wird in Notfällen auf Laborresultate verzichtet – mit dem Risiko unwirksamer Therapien und weiterer Resistenzen.

Um dem entgegenzuwirken, entwickeln Empa-Forschende gemeinsam mit klinischen Partnern neue diagnostische Verfahren. Mithilfe innovativer Sensoren sollen resistente Erreger schneller erkannt und individuelle, wirksame Therapien frühzeitig eingeleitet werden können, so die Mitteilung.

Multiresistente Bakterien treten besonders häufig im Zusammenhang mit im Spital erworbenen Infektionen auf – etwa bei Lungenentzündungen. Einer der häufigsten Erreger solcher Pneumonien ist Klebsiella pneumoniae, ein gefürchteter Superkeim. Um ihn frühzeitig nachweisen zu können, entwickelt Empa-Forscherin Giorgia Giovannini vom Labor «Biomimetic Membranes and Textiles» gemeinsam mit dem Kantonsspital St. Gallen einen neuartigen Sensor: Liegt eine Infektion vor, beginnt dieser fluoreszierend zu leuchten.

Denn der Sensor reagiert auf das bakterielle Enzym Urease, das von Klebsiella pneumoniae produziert wird. Sobald die Urease das Polymer zersetzt, wird das Leuchten des Farbstoffs sichtbar – ein Signal für das Vorhandensein des Erregers.

Die Diagnostikmethode basiert auf einfachen Proben, etwa einem Rachenabstrich oder einer Sputumprobe. Dadurch könnte sich die Identifikation des Erregers auf wenige Stunden verkürzen – statt wie bisher mehrere Tage auf Laborkulturen warten zu müssen.

Infizierte Wunden gehören ebenfalls zu den häufigsten Eintrittspforten für antibiotikaresistente Erreger. Um diese frühzeitig zu erkennen, entwickelt ein Team um die Empa-Forschenden Luciano Boesel und Giorgia Giovannini gemeinsam mit dem Kantonsspital St. Gallen einen neuartigen Multisensor-Verband. Die Technologie basiert auf Silica-Nanopartikeln, die in einem widerstandsfähigen Hydrogel aus bioverträglichen Polymeren eingebettet sind. In das Verbandmaterial integriert, soll der Sensor auf spezifische Ausscheidungen von Bakterien reagieren.

Besonders gefährlich sind hochresistente Wundkeime wie Staphylococcus aureus. Diese Bakterien produzieren das Enzym Beta-Lactamase, mit dem sie bestimmte Antibiotika unwirksam machen.

Der Sensor enthält Farbstoffe, die durch dieses Enzym gespalten werden: Ist der Keim vorhanden, leuchtet der Verband unter UV-Licht auf – ein klares Warnsignal. Zusätzlich kann der Sensor Veränderungen im Säure-Basen-Gleichgewicht in der Wunde anzeigen, was weitere Hinweise auf eine Infektion liefert. Das Ziel: eine rasche, kostengünstige Diagnose direkt am Patientenbett und eine individuell angepasste Wundbehandlung.

Auch Harnwegsinfektionen, etwa durch Katheter im Spital, sind ein häufiges Einfallstor für resistente Keime – darunter das Stäbchenbakterium Pseudomonas aeruginosa. Ein Forschungsteam der Empa und der ETH Zürich hat ein Verfahren entwickelt, das diesen Erreger schnell und präzise identifiziert. Dabei kommen magnetische Nanopartikel zum Einsatz, die mit Eiweissbausteinen versehen sind, welche gezielt an Pseudomonas aeruginosa binden. Die Bakterien lassen sich so aus einer Urinprobe über ein Magnetfeld isolieren.

Im Anschluss testen die Forschenden die Antibiotika-Empfindlichkeit mit einem Chemilumineszenz-Verfahren: Leuchtet die Probe, sind die Bakterien resistent; bleibt sie dunkel, wirkt das Antibiotikum. «Der gesamte Resistenztest dauert rund 30 Minuten – im Vergleich zu mehreren Tagen bei herkömmlichen Bakterienkulturen», sagt Qun Ren, Gruppenleiterin am Empa-Labor «Biointerfaces» in St. Gallen. So lässt sich innert kurzer Zeit die geeignete Therapie bestimmen – und die Gefahr weiterer Resistenzen verringern.