Fiebermessen «en miniature».
Text: Yvonne Vahlensieck
Anhand winziger Temperaturunterschiede lässt sich das Wachstum von Bakterien analysieren. An der Universität Basel setzen Forschende diese Technik – die Mikrokalorimetrie – auf vielfältige und innovative Weise ein: für die Entwicklung neuartiger Implantate, die Diagnose von Infektionen und Tests zur Lebensmittelsicherheit.
Fast jedes Lebewesen produziert Wärme – und diese Tatsache nutzen Wissenschaftler schon seit langer Zeit, um Stoffwechselvorgänge zu untersuchen. So platzierte der französische Chemiker Antoine de Lavoisier vor mehr als 200 Jahren einen Behälter mit einem Meerschweinchen in einen Eimer mit Eis. Anhand der Menge an Eis, das durch die Körperwärme des Tiers eingeschmolzen wurde, konnte er beweisen, dass die Atmung ein langsamer Verbrennungsprozess ist.
Eine ähnliche Technik kommt auch heute noch am Departement für Biomedical Engineering der Universität Basel zum Einsatz, wenn auch in einer etwas ausgereifteren Form: Statt Meerschweinchen untersuchen die Forschenden mittlerweile meist Bakterien und andere Mikroorganismen. Und der Eimer mit Eis wurde durch das Mikrokalorimeter ersetzt – ein Gerät, das Temperaturunterschiede im Bereich von wenigen Tausendstel Grad Celsius messen kann.
Die von den Organismen produzierte Wärme liefert dabei ein Mass für das Wachstum von Bakterien. «Die Methode eignet sich vor allem für Bereiche, wo die Mikroskopie, die konventionelle Mikrobiologie und die Molekularbiologie an ihre Grenzen stossen», erklärt Dr. Olivier Braissant, Leiter des Labors für Mikrokalorimetrie.
Gegen bakterielle Biofilme
Ein Schwerpunkt seiner Forschungsarbeit ist die Charakterisierung von sogenannten Biofilmen, die unter bestimmten Bedingungen von Bakterien gebildet werden und als besonders widerstandsfähig gegen eine Behandlung mit Antibiotika gelten. Wenn sich ein solcher Biofilm nach einer Operation auf einem Hüft-, einem Knie- oder einem Zahnimplantat festsetzt, führt dies zu einer hartnäckigen Infektion mit oft schweren Komplikationen. «Unser Hauptziel ist es, neue Materialien und Beschichtungen für Implantate zu finden und zu testen, ob diese das Wachstum von Biofilmen verhindern», so Braissant.
In seinem Mikrokalorimetrie-Labor testet er mit Industriepartnern und Spitälern eine Reihe solcher innovativer Produkte für die Implantationsmedizin: Dafür platziert er jeweils eine kleine Materialprobe zusammen mit Bakterien, die einen Biofilm bilden können, in eine Glasampulle. Er verwendet hierfür Bakterienarten, die häufig für im Spital erworbene Infektionen verantwortlich sind, wie etwa Staphylococcus aureus und Staphylococcus epidermidis.
Im Mikrokalorimeter verfolgt der Forscher dann anhand der erzeugten Wärme über Tage, Wochen oder Monate hinweg, wie gut sich der Biofilm auf dem getesteten Material ansiedeln und vermehren kann. «Das Schöne an der Mikrokalorimetrie ist, dass sich solche Tests leicht, unkompliziert und ohne grosse Vorbereitung durchführen lassen», sagt Braissant: «Die einzige Voraussetzung ist, dass die Proben in die Ampullen hineinpassen.»
Therapie gegen Tuberkulose
Ein weiterer Vorteil der Technik ist, dass schon eine kleine Anzahl an Mikroben genügt, um eine Messung durchzuführen. Dies ist besonders nützlich für die Arbeit mit langsam wachsenden Bakterien, wie zum Beispiel dem Tuberkuloseerreger Mycobacterium tuberculosis, der jedes Jahr weltweit für über eine Million Todesfälle verantwortlich ist. Eine sichere Diagnose der Krankheit ist nur durch den Nachweis des Erregers im Hustenauswurf der Patienten möglich – doch da das Bakterium unter Laborbedingungen äusserst langsam wächst, dauert es mit herkömmlichen Methoden mindestens eine Woche bis zur Diagnose. Und danach nochmals einen Monat, bis das geeignete Antibiotikum für die Behandlung feststeht. «Diese Wartezeit von über einem Monat konnten wir mit der Mikrokalorimetrie auf eine Woche verkürzen, da wir nur geringe Mengen des Bakteriums benötigen», berichtet Braissant von einem kürzlich durchgeführten Projekt in Südafrika.
Ein Problem ist im Moment allerdings noch die Kapazität der zurzeit verfügbaren Mikrokalorimeter. Diese reicht nämlich bei Weitem nicht an die herkömmlich verwendeten Diagnosegeräte heran, welche bis zu 1000 Proben gleichzeitig analysieren können. Ehemalige Mitarbeiter des Departements für Biomedical Engineering haben deshalb ein Start-up-Unternehmen gegründet und tüfteln nun an einem neuartigen Mikrokalorimeter, das erschwinglich ist und vielleicht in Zukunft genügend Platz für mehrere Hundert Proben bietet.
Käse unter Qualitätskontrolle
Die Mikrokalorimetrie ist jedoch nicht nur auf medizinische Anwendungen beschränkt, wie eine Studie zeigt, die Braissant in Zusammenarbeit mit der landwirtschaftlichen Forschungsanstalt Agroscope durchgeführt hat. Dieses Institut bewahrt und vermehrt historische Bakterienkulturen, die bei der Käseherstellung für den richtigen Geschmack, die Bildung der Rinde und nicht zuletzt auch für die Löcher im Käse sorgen. Für diese Kulturen verlangt die EU-Behörde für Lebensmittelsicherheit den Nachweis, dass die darin enthaltenen Bakterien keine übertragbaren Gene für Antibiotikaresistenzen in sich tragen.
Doch eine solche Analyse ist normalerweise sehr aufwendig und arbeitsintensiv. «Eine grosse Schwierigkeit ist, dass einige dieser Kulturen nur in Milch wachsen statt in den üblichen Nährmedien. Es ist fast unmöglich, die Bakterien daraus zu isolieren, ohne sie zu zerstören – besonders, wenn die Fermentation einsetzt und sich die Milch bereits eindickt», erklärt Braissant. Für Untersuchungen im Mikrokalorimeter stellt dies jedoch kein Problem dar, da die Bakterienkulturen dafür nicht isoliert werden müssen. Seine Untersuchungen bestätigten, dass in fast allen Starterkulturen keine antibiotikaresistenten Bakterien enthalten waren.
Auch Forschende aus anderen Fachgebieten klopfen immer häufiger bei Braissant an, wenn sie mit ihren eigenen Methoden nicht mehr weiterkommen. Braissant kann sich deshalb über einen Mangel an Projekten für sein Mikrokalorimetrie-Labor nicht beklagen: «Die Geschichte der Temperaturmessung reicht zwar weit in die Vergangenheit zurück, aber eigentlich hat sie soeben erst richtig begonnen.»
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