Einfluss von Isothiocyanaten auf die mechanische Stabilität nosokomialer Biofilme (NosoBiofilm)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Böl; Professor Dr. Frank Guenther; Professor Dr. Rainer Krull
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 536426990

Heute stehen etwa 60% der ärztlich behandelten Infektionen im Zusammenhang mit Biofilmen. Diese stellen eine besondere Gefahr dar, da Biofilm-assoziierte pathogene Mikroorganismen zum einen vor dem Immunsystem des Menschen geschützt sind und zum anderen eine deutlich höhere Toleranz gegenüber Antibiotika aufweisen. Behandlungen werden daher immer über einen sehr langen Zeitraum, mit hohen Dosen von Antibiotika und der Entfernung von Fremdmaterialien durchgeführt, was die Notwendigkeit alternativer Behandlungsstrategien motiviert. Isothiocyanate (ITCs) zeigen hemmende Wirkung auf medizinisch relevante Biofilme, wie beispielsweise von Pseudomonas aeruginosa-Isolaten. Die Ursachen für diesen Effekt sind bislang noch nicht geklärt. Der Einsatz von ITCs führt zu einer Veränderung der Membraneigenschaften wie z.B. einer Verringerung der Oberflächenladung, der Verschlechterung der Membranintegrität sowie einer Veränderung der Oberflächenhydrophobizität. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass bei verschiedenen Mikroorganismen der Einsatz von ITCs einen direkten Einfluss auf die Beweglichkeit der Bakterien aufweist. Damit könnte eine reduzierte Ausbildung von Biofilmen erklärt werden. Das Ziel des vorliegenden Projektantrags besteht in der Entwicklung eines prädiktiven, dreidimensionalen Materialmodells, das die mechanischen Eigenschaften nosokomial relevanter und biofilmbildender Modellisolate, die mit unterschiedlichen ITC-Arten, -Konzentrationen und -Darreichungsgaben (z.B. simple shot, repetitiv, kontinuierlich) sowie Darreichungsdauern behandelt werden, beschreiben kann. Im Einzelnen besteht das Projekt aus der (i) Bereitstellung phänotypisch charakterisierter klinischer Modellisolate auf Basis von P. aeruginosa, S. aureus und K. pneumoniae, (ii) Kultivierung biofilmbildender Modellisolate in einem entsprechenden in vitro-Kultivierungssystem in Form eines Doppelwandreaktors, der die medizinische Biofilmbildung in einem Harnwegskatheter nachbildet, (iii) Bestimmung von Parametern, die ITCs induzieren, um Katheter-assoziierte Harnwegsinfektionen zu minimieren, (iv) experimentellen Untersuchung zur Charakterisierung des mechanischen Verhaltens nosokomialer Biofilme auf Grundlage der ITC-Art, unterschiedlicher ITC-Konzentrationen und -Darreichungsgaben sowie -Darreichungsdauern sowie (v) Modellentwicklung und -validierung für prädiktive Behandlungsstrategien zur Minimierung nosokomialer Biofilme. Um diese Ziele zu erreichen, ist das Projekt in 7 wissenschaftliche Arbeitspakete gegliedert mit einer starken Wechselwirkung zwischen der Methodenentwicklung, der durchzuführenden Experimente, der Modellentwicklung und -validierung, sowie deren Anwendung in Form prädiktiver Behandlungsstrategien.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen