Wissenschaftler haben eine Methode entwickelt, um tödliche Infektionen ohne Antibiotika zu verhindern

Konzept der Coronavirus-Infektionsgefahr

Bei der neu entwickelten Methode wird eine kleine Beschichtung aus zwitterionischem Material auf ein Gerät aufgebracht und mit UV-Licht an das darunter liegende Substrat gebunden. Die resultierende Barriere verhindert, dass sich Bakterien und andere schädliche organische Materialien anlagern und Infektionen verursachen.

UCLA-Forscher haben eine neue Oberflächenbehandlung entwickelt, die verhindert, dass Bakterien an medizinischen Geräten wie Kathetern und Stents haften bleiben.

Ein Krankenhaus oder eine medizinische Klinik scheint der letzte Ort zu sein, an dem Sie eine schwere Infektion erwarten würden, aber fast 1,7 Millionen Amerikaner tun dies jedes Jahr, was zu fast 100.000 Todesfällen durch infektionsbedingte Komplikationen und 30 Milliarden US-Dollar an direkten medizinischen Ausgaben führt.

Experten zufolge sind medizinische Geräte wie Katheter, Stents, Herzklappen und Herzschrittmacher die Hauptschuldigen, die für zwei Drittel aller Infektionen verantwortlich sind. Ihre Oberflächen werden oft mit gefährlichen Bakterienfilmen überzogen. Eine einzigartige Oberflächenbehandlung, die von einem Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der University of California, Los Angeles (UCLA) entwickelt wurde, könnte jedoch dazu beitragen, die Sicherheit dieser Geräte zu verbessern und gleichzeitig die finanzielle Belastung des Gesundheitssystems zu verringern.

Die neue Technik, die sowohl im Labor als auch in klinischen Umgebungen getestet wurde, umfasst das Abscheiden einer dünnen Beschichtung aus zwitterionischem Material auf der Oberfläche eines Geräts und das dauerhafte Verbinden dieser Schicht mit dem darunter liegenden Substrat durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht. Die resultierende Barriere verhindert, dass Keime und andere potenziell gefährliche organische Materialien an der Oberfläche haften bleiben und Menschen infizieren.

Die Ergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Fortgeschrittene Werkstoffe am 19. Mai 2022.

Schädliche Mikroben Medizinprodukte

Schädliche Mikroben wachsen ungehindert auf implantierten medizinischen Geräten. Eine neue Methode zum Aufbringen einer Oberflächenbeschichtung auf medizinische Geräte wird wahrscheinlich ihre Sicherheit verbessern und Komplikationen und Todesfälle bei Patienten reduzieren. Bildnachweis: Amir Sheikhi/Penn State

Im Labor wendeten die Forscher die Oberflächenbehandlung auf mehrere häufig verwendete Materialien für medizinische Geräte an und testeten dann die Widerstandsfähigkeit der modifizierten Materialien gegenüber verschiedenen Arten von Bakterien, Pilzen und Proteinen. Sie fanden heraus, dass die Behandlung das Biofilmwachstum um mehr als 80 % reduzierte – und in einigen Fällen um bis zu 93 %, je nach Mikrobenstamm.

„Die modifizierten Oberflächen zeigten eine robuste Resistenz gegen Mikroorganismen und Proteine, und genau das wollten wir erreichen“, sagte Richard Kaner, Dr. Myung Ki Hong Professor für Materialinnovation an der UCLA und leitender Autor der Studie. „Die Oberflächen haben die Biofilmbildung stark reduziert oder sogar verhindert.

Richard Kaner

Leitender Autor der Studie, Richard Kaner. Bildnachweis: Reed Hutchinson/UCLA

„Und unsere frühen klinischen Ergebnisse waren hervorragend“, fügte Kaner hinzu.

An der klinischen Studie nahmen 16 Langzeitbenutzer von Blasenkathetern teil, die auf Silikonkatheter mit der neuen zwitterionischen Oberflächenbehandlung umgestiegen sind. Dieser modifizierte Katheter ist das erste Produkt eines Unternehmens, das Kaner aus seinem Labor heraus gegründet hat, namens SILQ Technologies Corp., und wurde von der Food and Drug Administration für die Verwendung bei Patienten zugelassen.

Zehn der Patienten beschrieben ihren Harnwegszustand mit dem oberflächenbehandelten Katheter als „viel besser“ oder „sehr viel besser“, und 13 entschieden sich dafür, den neuen Katheter nach Abschluss des Studienzeitraums gegenüber herkömmlichen Latex- und Silikonoptionen weiter zu verwenden.

„Eine Patientin kam vor ein paar Wochen an die UCLA, um uns für die Veränderung ihres Lebens zu danken – etwas, das ich als Materialwissenschaftlerin nie für möglich gehalten hätte“, sagte Kaner. „Ihre vorherigen Katheter waren nach etwa vier Tagen verstopft. Sie hatte Schmerzen und musste wiederholt medizinisch behandelt werden, um sie zu ersetzen. Mit unserer Oberflächenbehandlung kommt sie jetzt alle drei Wochen zu uns und ihre Katheter funktionieren perfekt ohne Verkrustungen oder Okklusionen – was bei ihren vorherigen häufig vorkam.“

Solche katheterbedingten Harnwegsprobleme veranschaulichen die Probleme, die andere medizinische Geräte plagen, die, sobald sie eingeführt oder implantiert sind, zu Brutstätten für Bakterien und schädliches Biofilmwachstum werden können, sagte Kaner, ein Mitglied des California NanoSystems Institute an der UCLA, das ebenfalls ist ein angesehener Professor für Chemie und Biochemie sowie für Materialwissenschaft und -technik. Die von diesen hochwiderstandsfähigen Biofilmen ausgepumpten pathogenen Zellen verursachen dann wiederkehrende Infektionen im Körper.

Als Reaktion darauf verabreicht das medizinische Personal Patienten, die diese Geräte verwenden, routinemäßig starke Antibiotika, eine kurzfristige Lösung, die ein längerfristiges Risiko darstellt, lebensbedrohliche, antibiotikaresistente „Superbug“-Infektionen zu verursachen. Je breiter und häufiger Antibiotika verschrieben werden, desto wahrscheinlicher entwickeln Bakterien Resistenzen dagegen, sagte Kaner. Ein bahnbrechender Bericht der Weltgesundheitsorganisation aus dem Jahr 2014 erkannte diesen übermäßigen Gebrauch von Antibiotika als eine unmittelbare Bedrohung für die öffentliche Gesundheit an, wobei Beamte eine aggressive Reaktion forderten, um „eine Ära nach der Antibiotikagabe zu verhindern, in der häufige Infektionen und kleinere Verletzungen, die seit Jahrzehnten behandelbar sind, einmal eintreten können wieder töten.“

„Das Schöne an dieser Technologie“, sagte Kaner, „ist, dass sie das Wachstum von Biofilm ohne den Einsatz von Antibiotika verhindern oder minimieren kann. Es schützt Patienten, die medizinische Geräte verwenden – und damit uns alle – vor mikrobieller Resistenz und der Verbreitung von Superbugs.“

Die zwitterionischen Polymere der Oberflächenbehandlung sind bekanntermaßen extrem biokompatibel, und sie absorbieren Wasser sehr fest und bilden eine dünne Hydratationsbarriere, die verhindert, dass Bakterien, Pilze und andere organische Materialien an Oberflächen haften, sagte Kaner. Und er stellte fest, dass die Technologie hochwirksam, ungiftig und relativ kostengünstig im Vergleich zu anderen aktuellen Oberflächenbehandlungen für medizinische Geräte ist, wie z. B. mit Antibiotika oder Silber angereicherte Beschichtungen.

Über die Verwendung in medizinischen Geräten hinaus könnte die Oberflächenbehandlungstechnik laut Kaner auch nichtmedizinische Anwendungen haben, die möglicherweise die Lebensdauer von Wasseraufbereitungsgeräten verlängern und die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien verbessern.

Zu den Finanzierungsquellen für die Studie gehörten die National Institutes of Health, die National Science Foundation, die Canadian Institutes of Health Research, SILQ Technologies Corp und die UCLA Sustainability Grand Challenge.

Referenz: „Eine leicht skalierbare, klinisch demonstrierte, antibiofouling-zwitterionische Oberflächenbehandlung für implantierbare medizinische Geräte“ von Brian McVerry, Alexandra Polasko, Ethan Rao, Reihaneh Haghniaz, Dayong Chen, Na He, Pia Ramos, Joel Hayashi, Paige Curson, Chueh-Yu Wu, Praveen Bandaru, Mackenzie Anderson, Brandon Bui, Aref Sayegh, Shaily Mahendra, Dino Di Carlo, Evgeniy Kreydin, Ali Khademhosseini, Amir Sheikhi und Richard B. Kaner, 22. März 2022, Fortgeschrittene Werkstoffe.
DOI: 10.1002/adma.202200254


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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