Bakterien aktivieren ihren eigenen Killer

Eine neue photothermische Therapie könnte helfen, Antibiotika-Resistenzen zu überwinden: Ein Wirkstoff wandelt eingestrahltes nahes Infrarot-Licht lokal in Wärme um, die Keime abtötet.

Dazu muss dieser „Wandler“ aber erst aktiviert werden, wie chinesische Wissenschaftler in der Zeitschrift “Angewandte Chemie” erläutern: eine Aufgabe, die die anvisierten Bakterien dabei selber erledigen. Andere Bakterien-Typen können ihn dagegen nicht „anknipsen“ und bleiben unbehelligt.

Übertriebener und missbräuchlicher Einsatz von Antibiotika hat zu einer starken Verbreitung hochgefährlicher resistenter Keime geführt. Photothermische Therapien sind ein interessanter neuer Ansatz zur Überwindung von Resistenzen. Dabei wird die Temperatur durch Lichteinwirkung lokal erhöht, um die Proteine der Mikroben zu denaturieren und sie so abzutöten. Dazu sind Substanzen notwendig, die als „Wandler“ das Licht effektiv in Wärme umwandeln. Bisherige photothermische Wandler binden unspezifisch über elektrostatische Wechselwirkungen an Bakterien. Eine selektive Inhibierung bestimmter Bakterien ist so nicht zu erreichen. Sie wäre wünschenswert, da der Großteil der Bakterien in unserem Körper harmlos, wenn nicht gar wichtig ist, wie einige unserer Darmbakterien.

Die Wissenschaftler um Jiang-Fei Xu und Xi Zhang von der Tsinghua University und der Chinese Academy of Sciences (Peking) haben jetzt einen photothermischen Wandler entwickelt, der erst aktiv wird, wenn er von Bakterien „angeschaltet“ wurde. Und das können nur bestimmte Bakterien-Typen, nämlich sogenannte fakultativ anaerobe Bakterien.

Der neue Wandler ist ein Komplex aus drei Molekülen: Einem Perylen-Diimid-Derivat als stäbchenförmigem Mittelteil, dessen Enden beide im Hohlraum kürbisförmiger Makrocyclen (Cucurbituril) stecken. Die „Kürbisse“ verhindern, dass sich die Stäbchen unspezifisch in bakterielle Membranen einlagern und gleichzeitig, dass sie miteinander Stapel bilden und verklumpen.

Perylen-Diimide können durch Reagenzien zu Radikal-Anionen reduziert werden. Interessanterweise können fakultativ anaerobe Bakterien wie Escherichia coli das auch. Die Reduktion verändert die optischen Eigenschaften: Das Radikal-Anion absorbiert nun NIR-Licht und gibt die aufgenommene Energie in Form von Wärme wieder ab. In der Umgebung der Kolibakterien wird es sehr warm, sodass sie abgetötet werden.

Aerobe Bakterien wie Bacillus subtilis werden dagegen nicht überhitzt, da sie den Wandler nicht anschalten. Die Forscher vermuten, dass Hydrogenasen, enzymatische Protonen-Transporter, für die Reduktion und damit das „Einschalten“ verantwortlich sind. In größerer Menge kommen diese nur in der Membran anaerober und fakultativ anaerober Bakterien vor. Auf dieser Basis könnte auch eine Therapie entwickelt werden, die mikrobielle Balance, etwa der Darmflora, zu regulieren.

Originalpublikation: Y Yang et al. Angewandte Chemie, 28.11.2017