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Fraunhofer IGB Antibakterielle Knochenimplantate senken Infektionsrisiko

Redakteur: M.A. Frauke Finus

Wenn Chirurgen Knochenersatzstoffe implantieren, können Keime in den Körper dringen. Diese können tödlich sein, wenn sie gegen Antibiotika resistent sind. Ein Knochenersatzstoff mit integriertem Infektionsschutz kann Infektionen vermeiden.

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Apatit-Kristalle: Sie gleichen in Aufbau und Struktur dem natürlichen Knochenmaterial. Beide werden aus Kalzium und Phosphor gebildet.
Apatit-Kristalle: Sie gleichen in Aufbau und Struktur dem natürlichen Knochenmaterial. Beide werden aus Kalzium und Phosphor gebildet.
(Bild: Fraunhofer IGB)

Infektionen mit antibiotikaresistenten Keimen können tödlich enden. Nach Schätzungen des Robert-Koch-Instituts sterben in Deutschland jeden Tag mindestens vier Menschen an Krankenhausinfektionen, Tendenz steigend. Wenn Chirurgen Knochenersatzstoffe implantieren, können Keime eindringen und es kann zu Infektionen am Knochen kommen. Diese sind besonders problematisch, weil sie sich nur schwer behandeln lassen. Selbst wenn die Keime noch nicht resistent sind, ist die Behandlung mit Antibiotika keine Wunderwaffe. Antibiotika, die vom Blut durch den Körper transportiert werden, erreichen die Implantate nur in sehr geringen Konzentrationen. Pharmazeutisch sind die Probleme also kaum in den Griff zu bekommen.

Mit einem Schutzschild in den Kampf

Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart hat einen anderen Ansatz im Kampf gegen Bakterien gewählt. Zusammen mit Materialwissenschaftlern des französischen Institute Carnot Cirimat in Toulouse hat das Fraunhofer-Team einen Knochenersatzstoff mit integriertem Infektionsschutz entwickelt. „Wir wollen Infektionen am besten von vornherein vermeiden, indem die Implantate mit einem antimikrobiellen Schutzschild versehen werden“, erklärt Dr. Iris Trick, Mikrobiologin vom Fraunhofer IGB.

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Schaut man die Implantate unter dem Mikroskop an, ist zu erkennen: Die einzelnen Körnchen des Granulats bestehen aus Apatit-Kristallen. Diese gleichen in Aufbau und Struktur dem natürlichen Knochenmaterial, das aus denselben chemischen Elementen gebildet wird – Kalzium und Phosphor. Chirurgen setzen solche Apatit-Granulate schon seit Jahren ein, wenn sie beispielsweise bei Unfall-Patienten Knochenteile rekonstruieren oder die Heilung beschleunigen wollen.

Metallionen im künstlichen Baumaterial

Apatit wird vom menschlichen Körper als Baumaterial erkannt und eingebaut, wenn sich beispielsweise nach einem Bruch neues Knochenmaterial bildet. Das Granulat ist damit ein idealer Stoff für Implantate. Um Komplikationen zu verhindern, beschichten einige Hersteller ihre Knochenersatzstoffe mit Antibiotika. Ein hundertprozentiger Schutz ist dies jedoch nicht, denn resistente Keime können sich dennoch ausbreiten.

„Wir wollten einen anderen Weg gehen“, berichtet Dr. Michaela Müller, Chemikerin am Fraunhofer IGB. „Unser Ziel war es, mit natürlichen Stoffen Bakterien auf den Kalziumphosphat-Kristallen zu vermindern, zu unterdrücken oder abzutöten.“ Im Projekt Biocapabili (Abkürzung für Biomimetic Calcium Phosphate Antibacterial Bone Implants for Local-infection Inhibition) hat das internationale Forscher-Team mit verschiedenen Stoffen und Verbindungen experimentiert: Silber-, Kupfer- und Zinkionen beispielsweise, aber auch Enzymen und Peptiden, die Bakterien zersetzen. Den französischen Forschern ist es schließlich gelungen, Metallionen in die Apatit-Kristalle einzubauen, wovon man sich viel erhofft hat. Den Nachweis, dass das fertige Pulver tatsächlich vor Infektionen schützt, erbrachten die Biologen in Stuttgart: Im Labor des IGB hat Trick die Proben auf Mikrotiterplatten mit verschiedenen Bakterienarten, wie verschiedene Staphylococcus-Arten, infiziert und anschließend mehrere Tage bebrütet. Ergebnis: In unmittelbarer Umgebung des Apatits war die Bakterienzahl um mehr als 90 Prozent reduziert.

Zu viel des Guten wäre schädlich

Als ebenso wirkungsvoll entpuppte sich eine Protein-Beschichtung, die das Fraunhofer-Team realisiert hat: Apatit-Granulate und -Pellets lassen sich mithilfe von Peptiden vor Bakterien schützen. Diese Peptide werden auch vom menschlichen Körper gebildet, um Infektionen zu bekämpfen. Die Beschichtung hat den Härtetest in der mikrobiologischen Prüfung ebenfalls bestanden: Die gefährlichen Bakterien konnten sich an der Oberfläche der Pellets und Granulate nicht vermehren. Damit ist bewiesen, dass sich mit der Peptidbeschichtung antibakterielle Knochenimplantate herstellen lassen.

„Die antibakterielle Wirksamkeit allein ist in der Medizin jedoch nicht alles“, erklärt Dr. Anke Burger-Kentischer, Gruppenleiterin Molekulare Zelltechnologie am Fraunhofer IGB. „Bevor ein Produkt in der Praxis eingesetzt werden darf, muss sichergestellt werden, dass es dem Patienten nicht schadet.“ Den ersten Schritt haben die Forscher schon gemacht: Auf Mikrotiterplatten wurden menschliche Zellkulturen den Implantatproben ausgesetzt. „Mithilfe dieser Zytotoxizitätstests konnten wir ermitteln, wie viel Metallionen, Enzyme oder Peptide im Granulat die Zellen vertragen“, erklärt Burger-Kentischer. Die nächsten klinischen Untersuchungen will das Forscherteam in Zusammenarbeit mit der Industrie durchführen. Erste Interessenten haben sich schon gemeldet.

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