Infektionen – Prävention

Bei herkömmlichen Sterilisationsverfahren werden Mikroorganismen durch Hitze, Strahlung oder Gaseinwirkung inaktiviert. Die Wahl des Sterilisationsverfahrens hängt dabei von der Materialzusammensetzung, dem Behandlungsziel und dem Anwendungsbereich ab. Bei thermolabilen Materialien wie Medizinprodukten oder Bauteilen medizintechnischer Geräte können thermische Sterilisationsverfahren meist nicht eingesetzt werden. Auch Gassterilisationen sind oft nicht optimal, denn sie erfordern hohe Sicherheitsstandards bei der Anwendung der teilweise explosiven, toxischen oder krebserregenden Gase.

Die mikrobielle Zellen inaktivierende Wirkung von Niedertemperaturplasmen bietet sich als eine materialschonende Alternative zur Sterilisation technischer Oberflächen an. Denn Plasmen eignen sich nicht nur zur Erzeugung von Schichten, sondern können aufgrund reaktiver Moleküle und UV‑Strahlung im Plasmagas auch Mikroorganismen inaktivieren. Mit der Plasmasterilisation werden selbst hochresistente Endosporen verschiedener Bacillus‑Arten schon nach relativ kurzen Behandlungszeiten vermehrungsunfähig. Zusätzlich tragen die reaktiven Moleküle des Plasmas auf schonende Weise auch organische Verunreinigungen wie z. B. pyrogene Zellreste ab. Da die sterilisierenden Gasmischungen erst direkt im Plasma erzeugt werden, entfällt eine aufwändige Entsorgung.

Daneben haben Wissenschaftler am Fraunhofer IGB die UV‑Behandlung weiterentwickelt, um die Zahl vermehrungsfähiger Mikroorganismen auf Oberflächen zu minimieren. Mit neuen, speziell konzeptionierten Excimer‑Lampen oder neuester UV‑LED‑Technologie können Verpackungsfolien, aber auch Abfüllanlagen in der Pharmaindustrie oder medizintechnische Oberflächen effektiv und schnell sterilisiert werden.

Die Verfahren können hochskaliert und an individuelle Anforderungen angepasst werden. Das Fraunhofer IGB hat langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der Plasma- und UV-Sterilisation. Neben der Bestimmung der mikrobiziden Wirksamkeit unterschiedlicher Strahlungs-/Plasmaquellen unterstützt das Institut bei der Optimierung und Weiterentwicklung solcher Systeme.

Wegen seiner stark oxidierenden und zelltoxischen Wirkung wird Wasserstoffperoxid in vielen technischen Bereichen, in der Kosmetik und der Medizin als Bleich- oder Desinfektionsmittel eingesetzt. Großtechnisch wird Wasserstoffperoxid überwiegend mit dem Anthrachinon-Verfahren hergestellt. Desinfektionsmittel auf der Basis von Wasserstoffperoxid werden an die Bedarfsträger als fertig formulierte Lösungen geliefert. Bei Störungen in der Produktion oder Lieferengpässen durch äußere Einflüsse wie der aktuellen Pandemie-Krise kann eine ausreichende Versorgung mit diesem Desinfektionsmitteln jedoch nicht mehr gewährleistet werden. In hygienisch und medizinisch sensiblen Situationen wie der aktuellen Pandemie-Krise ist eine nicht ausreichende Versorgung mit derartigen Mitteln der Grundversorgung beispielsweise für Krankenhäuser schwerwiegend.

Eine Lösung dieser Problematik kann die Herstellung von Wasserstoffperoxid-Lösungen direkt vor Ort und deren spezifische Formulierung als Desinfektionsmittel sein. Ein Lösungsansatz hierfür ist die elektrochemische Produktion von Wasserstoffperoxid aus (Luft-)Sauerstoff und Wasser. Dazu hat das Fraunhofer IGB eine eigene Elektrolysezelle entwickelt. Kernkomponente dieser Zelle ist eine Gasdiffusionselektrode (GDE), an der die Erzeugung von Wasserstoffperoxid aus gasförmigem Sauerstoff und Wasser gezielt stattfindet.

In derzeitigen Arbeiten liegt der Fokus auf der Weiterentwicklung der elektrolytischen Zelle und der Prozessführung, um die benötigten Konzentrationen an Wasserstoffperoxid direkt mittels Elektrosynthese zu erzeugen, sowie diese in ein Anlagenkonzept einschließlich der Abfüllung zu integrieren. Nächstes Ziel ist ein Prototyp, der von potenziellen Anwendern vor Ort getestet werden kann und mit dem Bedarfsträger ihre Desinfektionsmittel vollautomatisiert und unabhängig von äußeren Umständen produzieren können.

Vor allem in Entwicklungs- und Schwellenländern fehlen Impfstoffe für eine Reihe von Infektionserkrankungen. Damit sie schnell verfügbar und auch unter einfachsten Bedingungen einsetzbar sind, sollten sie leicht applizierbar sein und über eine robuste Haltbarkeit verfügen.

Neue Inaktivierungsmethode für Totimpfstoffe

Inaktivierte Impfstoffe, sogenannte Totimpfstoffe, bestehen aus Erregern, welche meist über toxische Chemikalien wie Formaldehyd inaktiviert werden. Die Inaktivierung ist langwierig, und die Chemikalien müssen nach ihrer Verwendung wieder aus dem Präparat entfernt werden. Außerdem werden durch die chemische Inaktivierung oft wichtige Proteine der Erreger zerstört, sodass der Impfstoff an Wirksamkeit verliert.

Im Fraunhofer-Projekt ELVIRA gelang es den vier Fraunhofer-Instituten IZI, IGB, FEP und IPA, eine physikalische Technologie zu etablieren, die diese Nachteile überwindet. Damit können Viren, Bakterien oder Parasiten mit niederenergetischen Elektronenstrahlen innerhalb von Sekunden – statt mehrerer Tage oder gar Wochen – und ohne Zusatz von giftigen Substanzen wie Formaldehyd, inaktiviert werden. Für die Impfwirkung wichtige Antigene bleiben in den bestrahlten Organismen nachweislich erhalten, während ihr Genom und damit ihre Infektiosität durch die Elektronen zuverlässig zerstört wird.

In einem von der Bill-und-Melinda-Gates-Stiftung finanzierten Folgeprojekt haben die Forscher zwei entsprechende Prototypen für die automatische Inaktivierung von Polioerregern entwickelt.

Engineering-Plattform für Impfstoffe

Die dramatische Entwicklung der Corona-Epidemie mit weltweiten Auswirkungen verlangt nach schnellen Lösungen insbesondere in den Bereichen Prävention und Therapie. Besonders vorbeugende Maßnahmen wie Impfungen können wiederkehrende Epidemien verhindern und den Schutz von noch nicht infizierten Personen gewährleisten.

Für eine schnelle Verfügbarkeit von Impfstoffen gegen neu auftretende Krankheitserreger ist der Einsatz von Plattformtechnologien zur vereinfachten Anpassung unerlässlich.

Am Fraunhofer IGB wurde eine Virus-Engineering-Plattform entwickelt, die als Grundlage für therapeutische Zwecke (onkolytische Viren), aber auch zur Prävention (Impfstoffe) eingesetzt werden kann. Durch den Einbau eines entsprechenden Impfantigens in die Virus-Plattform können so Trägerviren als potenzielle Impfstoffe hergestellt werden. Das modulare virale System kann auch zukünftig in Reaktion auf neu auftretende Erreger sowie als Kombinations-Impfstoff schnell angepasst werden und somit die Bewältigung von Pandemien maßgeblich unterstützen.

Virus-like particles – Biocontainer für Vakzinierung und Wirkstofftransport

Virus-like particles (Virus-ähnliche Partikel, VLP) sind biobasierte Kapseln, die Viren nachahmen und vielfältig eingesetzt werden können. Aufgrund ihrer Stabilität, Größe und Multivalenz eignen sich VLPs hervorragend als Basis von Impfstoffen, etwa gegen Viren, die sich in vitro nicht oder schwer züchten lassen, oder gegen Fremdproteine, die an der Oberfläche präsentiert werden. Sie eignen sich ausserdem zum Verpacken und zur Zielsteuerung von Wirkstoffen (Drug delivery), da sie therapeutische Agentien in hoher Konzentration, nebenwirkungsarm und zielgerichtet intravenös transportieren können.

Der breite Einsatz von VLPs ist jedoch dadurch limitiert, dass standardisierte und effiziente Plattformtechnologien zu ihrer Herstellung fehlen, um ähnlich wie bei einem Baukastensystem, unterschiedliche VLPs mit unterschiedlicher Beladung an verschiedene Wirkorte zu bringen. Mit dem Fraunhofer-Projekt Vari-VLP konnte erfolgreich eine modulare Plattform-Technologie zur Herstellung von VLPs entwickelt werden, die mit weiterer Funktionsoptimierung als VLPs zum Drug Delivery und zur Vakzinierung eingesetzt werden können.

Biofilme sind Lebensgemeinschaften von Bakterien, Pilzen oder Algen, die sich an Oberflächen – im Körper beispielsweise im Lungengewebe, aber auch auf medizinischen Instrumenten oder Anlagen in der Lebensmittelverarbeitung, anheften und dort aufwachsen. Sie sind von einer mikrobiell induzierten Matrix umgeben, der sogenannten EPS (extracellular polymeric substances). Die EPS besteht zum Großteil aus Polysacchariden, beinhaltet aber auch ein komplexes Gemisch aus Proteinen, DNA und Lipiden. Diese schirmt die Mikroorganismen wie eine Schutzhülle gegenüber der Umgebung ab, beispielsweise Angriffen des Immunsystems oder chemischen Substanzen wie Antibiotika oder Desinfektionsmittel.

Das Fraunhofer IGB arbeitet seit mehreren Jahren an Fragestellungen, bei denen die Wechselwirkungen zwischen mikrobiellen Zellen und Oberflächen bzw. die Bildung von Biofilmen eine Rolle spielen. So haben wir Prüfverfahren für die Untersuchung von Biofilmen entwickelt und untersuchen Oberflächen und Bauteile in Medizintechnik und hygienisch kritischen Umgebungen auf mikrobiologische Kontaminationen.

Antimikrobielle Ausrüstung von Oberflächen

Um Biofilme schon an der Entstehung zu hindern, ist die Anwendung geeigneter antimikrobieller Oberflächenmodifikationen, beispielsweise durch Anbindung biozider Substanzen oder eine photokatalytische Ausrüstung, angezeigt. Eine entsprechende Oberflächengestaltung kann die mikrobielle Adhäsion an der Materialoberfläche oder die Vermehrung der Zellen von vorneherein unterbinden. In Zusammenarbeit von Grenzflächenforschern mit Mikrobiologen und Zellbiologen haben wir am IGB bereits verschiedene Oberflächenausrüstungen entwickelt. Für die Charakterisierung stehen physikalische und chemische Verfahren zur Verfügung, zum Nachweis der biologischen Wirksamkeit setzen wir zellbasierte Systeme ein.

Bakteriophagen gegen Biofilme

Bakteriophagen sind Viren, die spezifisch und ausschließlich Bakterien zerstören. In Osteuropa werden Phagen seit Jahrzehnten erfolgreich für die Behandlung von bakteriellen Entzündungen, wie Brandwunden, Entzündungen des Knochenmarks und der Netzhaut oder bei Mukoviszidose-assoziierten Infektionen eingesetzt. Insbesondere stellen sie eine immer mehr in den Fokus rückende Alternative zu Antibiotika dar.

Darüber hinaus eignen sich Phagen überall dort, wo kontaminierende Bakterien gezielt entfernt werden sollen, beispielsweise zur Lebensmittelkonservierung oder zum Abbau von Biofilmen in der Medizintechnik. Auch das Fraunhofer IGB beschäftigt sich mit dem Einsatz von Bakteriophagen zur gezielten Keimreduktion. Kernpunkte sind hierbei Identifikation, Engineering, Kultivierung, Lagerung und Formulierung von Phagen. Mittels Phagen wurde beispielsweise eine neuartige, kostengünstige und sichere Methode zur ursächlichen Bekämpfung von Karies entwickelt.