Biofilme – ein Leben im Schleim

Biofilm von Streptococcus mutans, gefärbt mit dem DNA-bindenden Fluoreszenzfarbstoff DAPI

Bakterien sind vielseitig – auch in Bezug auf ihre Lebensformen. Einerseits können sie in einer wässrigen Umgebung wie einer Pfütze, einem Waschbecken, in Blut oder anderen Körperflüssigkeiten schwimmen. Als Schwimmer sind sie Einzelgänger und lösen, je nachdem wie aggressiv sie sind, mehr oder weniger schwere akute Infektionen aus. Andererseits bilden sie auch große, auf Oberflächen haftende Lebensgemeinschaften. Sie werden sesshaft, senden Moleküle aus, die anderen Bakterien mitteilen, dass gerade eine neue Bakterien-WG gegründet wird und betten sich gemeinsam in eine schleimige Matrix ein. Sie stehen über diesen chemischen Funk – so genanntes Quorum sensing – in ständigem Kontakt. In diesem Zustand lösen sie chronische Infektionen aus, die immer wieder zu akuten Infektionsschüben führen, wenn sich einzelne Bakterien aus der Biofilmgemeinschaft lösen.

Eingeschlossen in einen dichten Schleim aus Bio-Polymeren, schützen sie sich so vor dem Immunsystem und vor Antibiotika. Allein in Deutschland stehen etwa 100 000 Infektionen pro Jahr im Zusammenhang mit Biofilmen – wichtige klinische Erreger sind Pseudomonaden, Staphylokokken und Streptokokken. Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung forschen aus unterschiedlichen Blickwinkeln an Biofilmen. Sie versuchen das Prinzip hinter den Lebensgemeinschaften zu verstehen und sie zu manipulieren. Und sie suchen nach Strategien, sie aufzulösen – damit das Immunsystem und Antibiotika sie angreifen können.

Biofilme verstehen

Im Labor werden sogenannte Petrischalen zur Kultivierung von Mikroorganismen und Zellkulturen verwendet.

Biofilme sind sehr komplexe Gemeinschaften, in denen die unterschiedlichsten Bakterien und auch Pilze leben aber nicht jeder Biofilm ist automatisch krankheitserregend. Wie sie sich verhalten, hängt von vielen Faktoren ab und wird über chemische Signale gesteuert. Jeden Tag putzen wir sie von unseren Zähnen und wischen sie aus den Waschbecken und gleich danach finden sie wieder zusammen und organisieren sich neu.

Der Biofilm wächst stets mit

Nicht verhindern lassen sich Biofilme auf medizinischen Implantaten: Ob Stents, Herzschrittmacher oder Zahnimplantate – der Biofilm wächst stets mit. Aber vielleicht lassen sie sich durch geeignete Oberflächen so verändern, dass sie dem Patienten nicht schaden? Oder kann es gelingen den Funk der Bakterien zu stören und damit ihre Gemeinschaft aufzulösen? Und hat der Patient Einfluss auf den Biofilm? Sind diese Lebensgemeinschaften sogar als Marker für Krankheiten geeignet? Unsere Wissenschaftler meinen: ja.

Biofilme bekämpfen

Eine Bakterienansammlung bildet auf blauem Untergrund einen Biofilm.

Bilden sich jedoch bei einem schwerkranken Patienten pathogene Biofilme, müssen die Bakterien, die zu der schweren Infektion führen, getötet werden. Ein Ansatz, den die Wissenschaftler des HZI in einem interdisziplinären Konsortium verfolgen, ist den Biofilm aufzulösen. Sie suchen Naturstoffe, die sich in die Kommunikation der Bakterien einklinken, und der Lebensgemeinschaft signalisieren: löst Euch voneinander. Dann können das Immunsystem und Antibiotika eingreifen und die Bakterien abtöten.

Ein wichtiger Aspekt: Durch die häufige Behandlung der widerstandfähigen Biofilme mit Antibiotika im medizinischen Alltag haben sich zahlreiche Resistenzen bei den typischen klinischen Pathogenen ausgebildet. Die Suche nach passenden Antibiotika dauert Tage, in denen der ohnehin geschwächte Patient den Bakterien ausgeliefert ist. Also entwickeln unsere Wissenschaftler eine Methode, die deutlich schneller arbeitet als klassische Kulturmethoden: Sie identifizieren Gene in den Bakterien, auf denen die Resistenz gegen Antibiotika kodiert ist.

(Dr. Jo Schilling)

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