Ein einfaches und kostengünstiges System reproduziert die Strömungsbedingungen im menschlichen Körper, um die Wirksamkeit von Medikamenten gegen bakterielle Biofilme genauer zu bestimmen. Ein Forschungsteam des Instituts für Bioengineering von Katalonien (IBEC) hat die Plattform „XpertBiofilm“ entwickelt, die den kontinuierlichen Fluss von Flüssigkeiten wie Lungensekret, Blut oder Urin imitiert. Die in der Fachzeitschrift Colloids and Surfaces B: Biointerfaces veröffentlichte Arbeit zeigt, dass bakterielle Lebensgemeinschaften (Biofilme) unter diesen realistischen Bedingungen mechanischen Scherkräften ausgesetzt sind, die ihre Struktur und ihre Resistenz gegen Antibiotika maßgeblich verändern.
Strömung als Schlüsselfaktor bei chronischen Infektionen
In den meisten medizinischen Laboren werden Bakterien bislang auf statischen Kulturplatten gezüchtet, bei denen sich das Nährmedium nicht bewegt. Im menschlichen Organismus befinden sich Mikroorganismen jedoch fast nie in einer ruhenden Umgebung. Die Geometrie von XpertBiofilm erzeugt einen kontrollierten Flüssigkeitsstrom im Bereich von 0,02 bis 0,9 Millipascal (mPa). Dies entspricht exakt den Bedingungen in der Lunge von Patienten mit Mukoviszidose (zystischer Fibrose) oder chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD), wo zähflüssiger Schleim die Atemwege blockiert.
Am Beispiel des opportunistischen Krankheitserregers Pseudomonas aeruginosa wiesen die Wissenschaftler nach: Je stärker die Strömung in diesem niedrigen Bereich ist, desto mehr Biomasse bildet der Biofilm aus. Die physikalische Reibung führt dazu, dass sich die Bakterien fester an Oberflächen anhaften. Dies erklärt, warum der körpereigene Reinigungsmechanismus der Atemwege bei Lungenkrankheiten versagt und chronische Infektionen begünstigt werden. Bestehende Geräte zur Strömungssimulation waren bisher extrem teuer und erforderten Spezialmikroskope sowie geschultes Personal. Das neue System hingegen ermöglicht es, den Biofilm auf einem kleinen Plättchen zu züchten und direkt mit Standard-Mikroplattenlesern auszuwerten.
Weg zu schnellen und personalisierten Behandlungen
Neben der reinen Erforschung des Biofilm-Wachstums bestätigte das Team um die Forscher Eduard Torrents und Núria Blanco-Cabra den direkten klinischen Nutzen der Plattform für die personalisierte Medizin. In Versuchen wurden Sputum-Proben (Auswurf) direkt von Mukoviszidose-Patienten in das Gerät eingesetzt, ohne die darin enthaltenen Bakterienstämme vorher zeitaufwendig im Labor isolieren zu müssen.
XpertBiofilm konnte in beiden Fällen das bekannte Resistenzprofil der Proben exakt abbilden und korrekt vorhersagen, welches Antibiotikum gegen die bakterielle Schutzmatrix wirksam war und welches nicht. Obwohl es sich noch um eine laborbasierte Validierung mit einer begrenzten Anzahl von Proben handelt, könnte das Verfahren künftig als ergänzendes Diagnosetool in Krankenhäusern etabliert werden, um die Auswahl maßgeschneiderter Antibiotika-Therapien drastisch zu beschleunigen.
Die Studie ist unter der DOI 10.1016/j.colsurfb.2026.116013 dokumentiert.
