Medikamente gegen Infektionskrankheiten: Antibiotika-Konzentration durch Atemproben bestimmbar

Atem gibt Aufschluss über Antibiotika-Pegel

Antibiotika sollten nur verordnet und von Patientinnen und Patienten nur dann eingenommen werden, wenn es medizinisch wirklich notwendig ist. Diese Medikamente sind wirksam bei Infektionen, die durch Bakterien verursacht werden. Forschende berichten nun, dass der Antibiotika-Pegel erstmals über den Atem messbar ist.

Forschende der Universität Freiburg weisen zu erstem Mal in Säugetieren nach, dass sich in Atemproben die Konzentration von Antibiotika im Körper bestimmen lässt. Laut einer Mitteilung entsprachen die Atemmessungen dem Antibiotikagehalt im Blut. Der Biosensor des Teams soll die personalisierte Dosierung der Medikamente gegen Infektionskrankheiten vor Ort in Zukunft ermöglichen und helfen, die Entwicklung resistenter Bakterienstämme zu verringern.

Atemmessungen waren zuvor nicht möglich

Der Sensor der Forschungsgruppe um Dr. Can Dincer und H. Ceren Ates, FIT Freiburger Zentrum für interaktive Werkstoffe und bioinspirierte Technologien, und Prof. Dr. Wilfried Weber, Professor für Synthetische Biologie und Mitglied im Sprecherteam des Exzellenzclusters CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies beruht auf synthetischen Proteinen, die auf Antibiotika reagieren und damit eine Stromänderung erzeugen.

Die Ergebnisse der Forschenden wurden in der Fachzeitschrift „Advanced Materials“ veröffentlicht.

Das Team von Ingenieurinnen und Ingenieuren sowie Biotechnologinnen und Biotechnologen testete den Biosensor an Blut, Plasma, Urin, Speichel und im Atem von Schweinen, die Antibiotika erhielten.

Die Forschenden konnten nachweisen, dass die Messungen mittels Biosensoren im Plasma der Schweine so zuverlässig sind, wie das Standardlaborverfahren in der Medizin. Bisher konnten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nur Spuren von Antibiotika im Atem nachweisen.

Den Angaben zufolge waren Atemmessungen zuvor nicht möglich: „Bisher konnten Forschende nur Spuren von Antibiotika im Atem nachweisen. Mit unseren synthetischen Proteinen auf einem Mikrofluidik-Chip, bestimmen wir kleinste Konzentrationen im Atemgaskondensat und diese korrelieren mit den Blutwerten“, erläutert Dincer.

Antibiotikapegel muss stabil gehalten werden

Bei schweren Infektionen müssen Ärztinnen und Ärzte den Antibiotikapegel im Blut innerhalb eines personalisierten therapeutischen Bereichs stabil halten. Ansonsten drohen etwa Blutvergiftung und Organversagen bis hin zum Tod der Patientinnen oder Patienten.

Außerdem können sich die Bakterien bei niedriger Antibiotika-Gabe so verändern, dass die Arzneimittel nicht mehr wirken: Sie werden resistent.

„Die schnelle Überwachung der Antibiotika-Werte wäre in der Klinik von großem Nutzen“, sagt Ates, „die Methode ließe sich möglicherweise in eine herkömmliche Gesichtsmaske einbauen.“

Der Wissenschaftler entwickelt in einem weiteren Projekt an der Universität Freiburg tragbare Papiersensoren für die kontinuierliche Messung von Biomarkern im Atem. Zur Validierung des Antibiotikasensors sind klinische Tests geplant, die das System dann an menschlichen Proben prüfen.

Bakterien mit ihren eigenen Waffen schlagen

Wie in der Mitteilung erklärt wird, trägt der Mikrofluidik-Biosensor auf einem Polymerfilm befestigte Proteine, die sogenannte Beta-Laktam-Antibiotika wie etwa Penicillin erkennen.

Laut den Fachleuten konkurrieren das in der Probe untersuchte Antibiotikum und ein enzymgekoppeltes Beta-Lactam um die Bindung dieser bakteriellen Proteine. Diese Konkurrenz erzeugt eine Stromänderung wie in einer Batterie: Je mehr Antibiotikum in der Probe vorhanden ist, desto weniger Enzymprodukt entsteht, was zu einem niedrigeren messbaren Strom führt.

Dieses Verfahren basiert auf einem natürlichen Rezeptorprotein, mit dem resistente Bakterien das für sie gefährliche Antibiotikum erkennen. „Wir schlagen die Bakterien sozusagen mit ihren eigenen Waffen“, erklärt Weber das von seiner Gruppe entwickelte Verfahren. (ad)