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Wunden sind Eintrittspforten für Keime. Ohne konsequente und regelmäßige Sterilisationsmaßnahmen drohen Infektionen, die Patienten im schlimmsten Fall das Leben und Krankenkassen viel Geld kosten. Biotechnologen aus Österreich entwickelten eine clevere Strategie, die Wunden ohne viel Aufwand keimfrei hält.
Die Versorgung chronischer Wunden stellt das Personal in Krankenhäusern vor wachsende Herausforderungen. Wir werden immer älter, wundassoziierte Krankheiten wie Diabetes immer häufiger. Die Standardwaffe „Antibiotikum“ versagt allzu oft und ist eine systemische und unnötige Belastung für innere Organe. Zudem beschleunigt ihr intensiver Einsatz das Entstehen pathogener Keime mit multiplen Resistenzen.
Statt mit Kanonen auf Spatzen zu schießen, wäre eine fein-dosierte, nebenwirkungsfreie Wirkstoffabgabe an der betroffenen Stelle wünschenswert. Ein wichtiger Schritt in diese Richtung gelang der Gruppe des Umwelt- Biotechnologen Georg Gübitz von der Universität für Bodenkultur Wien (BOKU). Die Waffe der Wiener gegen eindringende Keime ist Wasserstoffperoxid, das direkt in der Wunde aus einem biokompatiblen Hydrogel-Substrat mithilfe von zwei gekoppelten Enzymen entsteht (ACS Appl Mater Interfaces 9: 15307-16)
Mit konzentrierten H2O2-Lösungen ist nicht zu spaßen, schon wenige Spritzer durchlöchern den Labormantel wie einen Schweizer Käse. Verdünnt auf Konzentrationen von zehn bis dreißig Mikromol pro Liter gilt H2O2 jedoch als ungefährliche Universalwaffe gegen Mikroorganismen.
Als Matrixmaterial und Substrat zugleich dient ein Hydrogel aus dem biokompatiblen Naturmaterial Succinyl-Chitosan (SC)-Carboxymethylcellulose (CMC). Dieses wird mit zwei Enzymen zu H2O2 umgesetzt. Aus der limitierten Hydrolyse mittels Cellulase entstehen zunächst handliche CMC-Oligos, die die Cellobiose-Dehydrogenase (CDH) weiter zerlegt. Dabei entsteht in situ O2 und eben H2O2 direkt an der Kontaktstelle zwischen Wunde und Hydrogel.
Bei der Suche nach dem optimalen Substrat für die verwendete Cellulase aus Trichoderma longibrachatum testeten die Forscher kommerzielle CMC mit unterschiedlichem Molekulargewicht und Substitutionsgrad. Die entstandenen Glukosemoleküle und damit die Effizienz der CMC-Hydrolyse quantifizierten sie photometrisch (mit 3,5-Dinitrosalicylsäure).
Zunächst modifizierte die Gruppe Chitosan durch Anbringen von N-Succinyl-Gruppen zu Succinyl-Chitosan (SC). Durch Vermischen von SC- und CMC-Suspensionen erhielten sie ein Hydrogel, bei dem die Aminogruppen von SC und Carboxylgruppen von CMC über Carbodiimid-Bindungen miteinander vernetzt sind. Dieses Cross-Linking erwies sich als essentiell für die optimale Gelbildung. Nach Beladen mit den beiden Enzymen war das Hydrogel bereit für den Praxistest.
Im optimalen Verhältnis aller Komponenten produziert das Hydrogel über 24 Stunden kontinuierlich 30 µM H2O2. Die Konzentration ist hoch genug, um Keime abzutöten, schädigt Tiergewebezellen jedoch nicht. Die Beweise hierfür lieferten die Wiener Biotechnologen anhand von Zonen-Inhibitions-Assays (E. coli und S. aureaus auf Agarplatten meiden die Region rund um das „Enzympflaster“) und Flüssigkulturen beziehungsweise in Fitness-Assays mit Maus-Fibroblasten. Cytotoxische Wirkungen blieben aus. Dafür gibt es Anzeichen für eine mögliche entzündungshemmende Wirkung.
Die Möglichkeit, dass sich H2O2 und Trichoderma-Cellulase anreichern und das Hydrogel zersetzen, konnte das Team ausschließen. Mir ihren ansonsten vermutlich eher für Gelees und Sirups verwendeten Analysen untersuchten sie die rheologischen Eigenschaften sowie die Stabilität der SC-CMC-Komposition. Diese verwandelte sich in drei Minuten in ein elastisches Feststoff-ähnliches (solid-like) Gel. Ein Cross-linker (Genipin) ist hierbei für die Stabilität unerlässlich.
Natürlich können Wunden nicht so lange warten, bis mit langwierigen Laborsynthesen ein Hydrogel frisch hergestellt ist. Das SC-CMC-Hydrogel lässt sich jedoch problemlos lagern. Auch nach dreißig Tagen im Kühlschrank sind die darin enthaltenen Enzyme noch ziemlich fit und erzeugen bei Körpertemperatur 24 Stunden lang eine H2O2-Konzentration von 25 µM.
Die grundlegenden technischen Fragen zur Herstellung, Vernetzung (für eine optimale Konsistenz), rheologische Eigenschaften sowie das Quellverhalten des antimikrobiellen Wundheilungs-Hydrogels hat die Wiener Gruppe also geklärt. Jetzt sind die Mediziner dran, die das Gel für weitere medizinische Anwendungen testen müssen.