Biosensor für Atemproben 22.09.2021, 11:02 Uhr

Antibiotika: Forschern gelingt mit kleinem Chip medizinischer Durchbruch

Einmal pusten und schon schlägt der Pegel aus – klingt nach einem Alkoholtest bei einer Verkehrskontrolle? Mitnichten. Forschenden ist die Entwicklung eines Biosensors gelungen, der die Medizin revolutionieren könnte.

Mikrofluidik-Multiplex-Biosensor in Hand

Der Mikrofluidik-Multiplex-Biosensor trägt auf einem Polymerfilm befestigte Proteine, die die Antibiotika erkennen.

Foto: Patrick Seeger

Ingenieure und Ingenieurinnen an der Universität Freiburg haben eine medizinische Innovation entwickelt, die gängigen Laborverfahren gleichgestellt ist. Gemeinsam mit Biotechnologen konnten sie zum ersten Mal den Antibiotikapegel über den Atem messbar machen. Damit beweisen sie, dass sich die Konzentration von Antibiotika im Körper rein über den Atem bestimmen lässt. Die Atemmessungen entsprachen dem Antibiotikagehalt im Blut.

Biosensor als Hilfe bei Infektionskrankheiten

Zur Erforschung nutzte das Team aus Freiburg einen Multiplex-Chip. Mit diesem Biosensor können parallel Messungen von mehreren Proben und Teststoffen aufgezeichnet werden. Mit dem Verfahren sollen in Zukunft personalisierte Dosierungen von Medikamenten gegen Infektionskrankheiten ermöglicht werden. Zudem könne sich das Risiko resistenter Bakterienstämme verringern.

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Antibiotika-Messung: Entwicklung so zuverlässig wie Laborverfahren

Der Biosensor beruht auf synthetischen Proteinen, die auf Antibiotika reagieren und damit eine Stromänderung erzeugen. Die Forschenden testeten den Biosensor an Blut, Plasma, Urin, Speichel und im Atem von Schweinen, die Antibiotika erhielten. Das Ergebnis überrascht: Die Messungen mittels Biosensoren im Plasma der Schweine sind so zuverlässig wie das Standardlaborverfahren in der Medizin. Atemmessungen waren zuvor nicht umsetzbar.

„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“, erklärt Studienleiter Can Dincer.

Der neue Biosensor soll nun helfen, Antibiotikapegel bei schweren Infektionen stabil zu halten.

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Zum Hintergrund: Bei schweren Infektionen halten Ärzte und Ärztinnen den Antibiotikapegel im Blut bei einer individuellen Therapie stabil. Ansonsten kann es zu Blutvergiftung und Organversagen bis hin zum Tod der Patienten kommen. Bei einer niedrigen Medikation von Antibiotika können sich Bakterien zudem so verändern, dass der Arzneistoff nicht mehr wirkt. Besser bekannt als resistente Bakterien.

„Die schnelle Überwachung der Antibiotika-Werte wäre in der Klinik von großem Nutzen“, so Ates.

Methode als Gesichtsmaske

Die Forschenden denken dabei auch praktisch: „Die Methode ließe sich möglicherweise in eine herkömmliche Gesichtsmaske einbauen.“ In einem weiteren Projekt an der Universität Freiburg werden tragbare Papiersensoren für die stetige Messung von Biomarkern im Atem entwickelt. Zur Bestätigung des Antibiotikasensors sind klinische Tests geplant, die das System an menschlichen Proben prüfen.

Antibiotika: So funktioniert der Biosensor

Der Mikrofluidik-Biosensor trägt auf einem Polymerfilm befestigte Proteine, die zum Beispiel Penicillin erkennen können. Die angesprochene Stromänderung wird durch eine Konkurrenz erzeugt. Das untersuchte Antibiotikum und ein enzymgekoppeltes Beta-Lactam konkurrieren um die Bindung der bakteriellen Proteine. Die Stromänderung darf man sich wie in einer Batterie vorstellen. Je mehr Antibiotikum in der untersuchten Probe vorhanden ist, desto weniger Enzymprodukt entsteht, was zu einem geringeren messbaren Strom führt. Die Basis des Messverfahrens bildet ein natürliches Rezeptorprotein, mit dem resistente Bakterien das für sie gefährliche Antibiotikum erkennen. Bakterien werden also mit ihren eigenen Waffen geschlagen.

Die Forschungsgruppe wird von Dr. Can Dincer und H. Ceren Ates vom FIT Freiburger Zentrum für interaktive Werkstoffe und bioinspirierte Technologien geleitet.

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Welche Krankheiten kann man mit Antibiotika behandeln?

Antibiotika wirken bei Erkrankungen durch Bakterien. Häufig handelt es sich um Lungen- oder Mandelentzündungen. Antibiotika wirken hingegen nicht gegen Erkrankungen durch Viren, wie die Grippe. Zu den gängigsten Nebenwirkungen zählen Hautausschlag oder Magen-Darm-Beschwerden.

Wie wirken Antibiotika?

Antibiotika bekämpfen krankmachende Bakterien. Manche Medikamente töten Bakterien ab, andere stoppen die Vermehrung des Erregers. Antibiotika wirken jedoch auch gegen nützliche Bakterien, die zum Beispiel auf den Schleimhäuten leben. Daher sollte das Medikament nur so oft wie nötig eingenommen werden.

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Wie viele Antibiotika werden in Deutschland verbraucht?

Beim Antibiotikaverbrauch liegt Deutschland im europäischen Vergleich eher im niedrigen Bereich. Das Europäische Zentrum für die Prävention und Kontrolle von Krankheiten (ECDC) ermittelt die Werte. Der durchschnittliche Gesamtverbrauch von antibakteriellen Mitteln in der EU lag im Jahr 2018 bei 20,1 Definierten Tagesdosen (DDD) pro 1000 Einwohner pro Tag. Deutschland liegt bei 11,9 DDD.

Ein Beitrag von:

  • Sarah Janczura

    Sarah Janczura

    Sarah Janczura ist Content Manager und verantwortliche Redakteurin für ingenieur.de. Nach einem Volontariat mit dem Schwerpunkt Social Media war sie als Online-Redakteurin in einer Digitalagentur unterwegs. Sie schreibt über Technik, Forschung und Karrierethemen.

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