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Biofilme: Bakterien-WG im Herzschrittmacher

Wenn Bakterien sich zu Biofilmen zusammenschließen, bilden sie einen extrem widerstandsfähigen Schleim, dem mit Antibiotika kaum beizukommen ist. Nun suchen Forscher nach Wegen, die gefährlichen Bakterien-WGs unschädlich zu machen.

Sie sind überall. Sie überziehen als Plaque den Zahnschmelz, sind für den glitschigen Überzug auf Steinen im Flussbett verantwortlich und haften an den Wänden von Kläranlagen. Doch hinter den schleimigen Schichten, die lange Zeit einfach nur als lästig, eklig oder einfach unwichtig galten, verbirgt sich ein unerwartet komplexes Geheimnis: Es handelt sich bei diesen so genannten Biofilmen um eine durchorganisierte, komplizierte Wohngemeinschaft von Lebewesen, die immer als reine Einzelkämpfer galten - Bakterien.

Arbeitsteilung im gut geschützten Schleimverband

"Ein Biofilm entsteht, wenn ein Bakterium auf eine Oberfläche trifft - oder auf ein anderes Bakterium", erklärt Hans-Curt Flemming vom Biofilm-Zentrum der Universität Duisburg-Essen im Wissenschaftsmagazin "bild der wissenschaft". In einer solchen Situation beginnen sich die Mikroben zu vermehren und senden dabei biochemische Nachrichten aus. Erreicht die Anzahl der Bakterien und damit auch die Menge der Botenstoffe einen bestimmten Wert, dient das den Mikroorganismen als Startsignal: Sie beginnen mit der Produktion eines zähen Schleims aus Zucker, Eiweißen, Fettbausteinen und anderen Biomolekülen, der bis zu mehreren Millimetern dick werden kann und die gesamte Gemeinschaft umschließt.

Dann geht es an die Arbeitsteilung im gut geschützten Schleimverband. Ähnlich wie spezialisierte Zellen in höheren Organismen beginnen sich einzelne Mikroben zu verändern, um bestimmte Aufgaben übernehmen zu können, etwa die Versorgung der Gemeinschaft mit Nährstoffen. Dafür sind diese Bakterien sogar bereit, einen hohen Preis zu zahlen. Sie geben die Fähigkeit auf, sich fortpflanzen zu können.

Doch natürlich hat das Kommunenleben auch Vorteile für die winzigen Mikroben. So können sie gemeinsam viel leichter Nahrung heranschaffen und sich auch an Beute herantrauen, die für einzelne Bakterien viel zu groß ist. Diese Taktik bewährt sich seit Urzeiten: Wie Fossilienfunde zeigen, lebten schon vor 3,5 Milliarden Jahren die ersten Lebewesen auf der Erde in Biofilmen.

Sie versuchen Antibiotika unschädlich zu machen

Auch problematische Zeiten lassen sich im Verband mit anderen leichter überstehen, etwa Hungerperioden, Stressphasen oder der Angriff von Schadstoffen. Genau diese Eigenschaft macht Biofilme zu einem Problem - und zwar immer dann, wenn sie sich innerhalb des menschlichen Körpers bilden, etwa im Innenohr, in den Harnwegen oder auf einem Implantat wie einem Herzschrittmacher oder einem künstlichen Hüftgelenk. Dann entstehen hartnäckige Infektionen, die schwer zu behandeln sind.

Denn auch Antibiotika sind für die Bakteriengesellschaft nichts anderes als Schadstoffe, die unschädlich gemacht werden müssen. Möglichkeiten dafür gibt es viele: Der Schleim wird so konstruiert, dass die Wirkstoffe gar nicht eindringen können, oder aber sie werden nach dem Eindringen sofort weitertransportiert.

"Manche Biofilme schleusen Antibiotika in der 50-fachen tödlichen Konzentration einfach durch - und es passiert nichts", berichtet etwa Wolf-Rainer Abraham vom Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung in Braunschweig. Zwar gibt es einige wenige Wirkstoffe, die in ganz speziellen Fällen gegen die Biofilme ankommen. "Doch meist hilft nur die Anwendung von Antibiotika-Gemischen in sehr hohen Dosen", erklärt der Experte.

Zuckermoleküle als Waffe gegen Biofilme

Aus diesem Grund suchen Forscher nach anderen Möglichkeiten, die Mikrobengemeinschaft auseinander zu bringen. Einige Ideen scheinen dabei ziemlich Erfolg versprechend: Raubt man Bakterien beispielsweise die Stimme, indem man ihr biochemisches Kommunikationssystem blockiert, kommt das Startsignal nicht, und es bildet sich gar nicht erst ein Biofilm. "In der Forschung funktioniert das ganz gut", kommentiert Abraham. Einziges Problem: Alle bisher getesteten Mittel sind für den Menschen giftig.

Viel versprechender ist da ein Ansatz französischer Forscher. Sie verändern mithilfe von Zuckermolekülen die Oberflächen von Implantaten derart, dass sich die Bakterien nicht festsetzen und folgerichtig auch keinen Verband bilden können. Im Mittelohr dagegen könnte bakterielles Konkurrenzdenken helfen, die hartnäckigen Infektionen unter Kontrolle zu bekommen: Schleust man nämlich gutartige Mikroben, die ebenfalls in fast jedem Biofilm vorkommen, im Überfluss in die Gesellschaft ein, verdrängen sie mit der Zeit die bösartige Konkurrenz.

Schließlich gibt es auch noch die Möglichkeit, den Mikroorganismen eine Hungersnot vorzugaukeln. Da für viele Bakterienarten in einem solchen Fall die letzte Überlebenschance darin besteht, auf Wanderschaft zu gehen und einen potenziell ergiebigeren Lebensraum zu finden, lösen die Mikroben in einem solchen Fall ihre Zweckgemeinschaft selbstständig auf - und in diesem Moment sind sie wieder anfällig für die guten alten Antibiotika.

Ilka Lehnen-Beyel/DDP / DDP

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