Behandlung von Hautinfektionen mit Strom

Mit sehr leichten Stromstößen auf der Haut konnten Forschende in Laborversuchen bakterielle Infektionen ohne Medikamente stoppen.

„Dies eröffnet aufregende Möglichkeiten für arzneimittelfreie Behandlungen, insbesondere für Hautinfektionen und Wundheilung, wo antibiotikaresistente Bakterien eine ernsthafte Herausforderung darstellen“, sagt Bozhi Tian von der University of Chicago, einer der Co-Autoren der Studie.

Tian und sein Team fragten sich, ob sie Bakterien mit Strom statt mit Antibiotika manipulieren könnten. Aufgrund des übermäßigen Einsatzes von Antibiotika haben sich inzwischen Resistenzen entwickelt. Frühere Studien schätzen, dass arzneimittelresistente Infektionen im Jahr 2019 zu etwa 1,27 Millionen Todesfällen weltweit beigetragen haben könnten.

Das Team wollte testen, ob Staphylococcus epidermidis, ein auf der menschlichen Haut häufig vorkommendes Bakterium, auf elektrische Stimulationen reagiert. S. epidermidis ist im Allgemeinen harmlos und kann die Haut sogar vor Krankheitserregern schützen. Wenn es jedoch durch eine Schnittwunde oder ein medizinisches Verfahren, wie zum Beispiel einen Katheter, in den menschlichen Körper gelangt, kann es schwere Infektionen verursachen. Kürzlich sind drei Stämme von S. epidermidis aufgetaucht, die gegen alle Klassen von Antibiotika resistent sind.

„Da Staphylokokken Teil des mikrobiellen Ökosystems sind, das natürlicherweise auf unserer Haut vorkommt, ziehen wir es vor, sie nicht auszurotten, da ihre völlige Abwesenheit auf unserer Haut andere Probleme verursachen könnte“, sagt der andere Co-Autor der Studie, Gürol Süel von der University of California San Diego.

Das Team fand heraus, dass kleine elektrische Ströme Reaktionen von S. epidermidis hervorrufen können, allerdings nur in einer sauren Umgebung. Die Forschenden nennen diese Eigenschaft selektive Erregbarkeit. Gesunde menschliche Haut ist leicht sauer, aber chronische Wunden sind eher neutral bis basisch.

„Die Reaktion von Bakterien auf Elektrizität ist nicht gut erforscht, auch weil wir die spezifischen Bedingungen, unter denen Bakterien erregt werden, nicht kennen“, sagt Erstautor Saehyun Kim, ebenfalls von der University of Chicago. „Die Entdeckung dieser selektiven Erregbarkeit wird uns helfen, herauszufinden, wie wir andere Bakterienarten kontrollieren können, indem wir verschiedene Bedingungen untersuchen.“

Das Team stimulierte das Bakterium 18 Stunden lang alle 10 Minuten für 10 Sekunden mit einer schwachen elektrischen Spannung von 1,5 Volt – deutlich niedriger als die 15-Volt-Grenze, die für den Menschen als unmerklich und sicher gilt. Unter den idealen sauren Bedingungen stoppte die Strombehandlung 99 Prozent des Biofilms, einer Ansammlung von Bakterien, die Medikamente blockiert und zu hartnäckigen Infektionen führt. Bei einem neutralen pH-Wert der Umgebung zeigte die Behandlung keine Wirkung.

Weitere Analysen ergaben, dass nach der elektrischen Stimulation die Expression mehrerer Gene, einschließlich derjenigen, die mit Antibiotikaresistenz und Biofilmbildung zusammenhängen, bei S. epidermidis abnahm.

Um Hautwunden durch Stimulation von S. epidermidis unter den richtigen Bedingungen zu behandeln, entwickelte das Team ein spezielles Patch (Bioelectronic Localized Antimicrobial Stimulation Therapy, kurz BLAST). Der Patch enthält Elektroden und ein Hydrogel, der eine saure Umgebung schafft. Sie testeten die Methode an einer mit S. epidermidis geimpften Schweinehaut. Nach dem 18-stündigen Behandlungszyklus beobachtete das Team einen deutlichen Rückgang des Biofilms und eine fast zehnfache Reduzierung der S.-epidermidis-Zellen im Vergleich zur unbehandelten Probe. Sie testeten den Patch auch auf der Oberfläche eines Katheters und stellten die gleiche antimikrobielle Wirkung fest.

Laut Tian könnten die Wissenschaftler bei weiterer Forschung zur Untersuchung der Sicherheit und Wirksamkeit dieser Behandlung ein tragbares Pflaster mit einem drahtlosen Schaltkreis entwickeln, um Infektionen ohne Medikamente zu behandeln.