Chitosan-basierte Matrix als Carrier für Bakteriophagen

Durch das vermehrte Auftreten von bakteriellen Resistenzen, werden dringend Alternativen zu Antibiotika benötigt. In der hier präsentierten Studie soll daher ein antimikrobieller, mit Bakteriophagen-beladener Chitosanfilm als z.B. Wundauflage entwickelt werden.

Chitosan als Matrixmaterial für antibakterielle Anwendungen mit Bakteriophagen

Sikora, M., Wąsik, S., Semaniak, J. et al. Chitosan-based matrix as a carrier for bacteriophages. Appl Microbiol Biotechnol 108, 1–16 (2024). https://doi.org/10.1007/s00253-023-12838-0

Durch die wachsende Anzahl bakterieller Resistenzen gegen Antibiotika wird die Forschung an Alternativen wie z.B. Phagen, antimikrobielle Peptide oder Nanopartikel immer wichtiger. Lytische Phagen können als natürliche Agenzien gegen spezifische Bakterienstämme eingesetzt werden. Neben der Spezifität haben sie den Vorteil, dass sie sich gezielt dort vermehren wo Bakterien vorhanden sind und damit ihre Wirkung am Ort der Infektion selbst verstärken. Um Phagen als antibakterielle Wirkstoffe einsetzen zu können müssen sie in einer geeigneten Matrix eigebettet werden. Die Matrix muss dafür sorgen, dass die Phagen ausreichend verfügbar sind, eine gewisse Aktivität aufweisen und die Stabilität gewährleisten. Geeignete Matrixmaterialien sind zum Beispiel Hydrogele, Cremes, Salben, Filme oder Membranen als Träger der Phagen am Zielort.

Die orale Verabreichung von Phagen gestaltet sich eher schwierig, dadurch dass die Matrix Stabilität unter extremen Bedingungen wie der Magensäure oder den Enzymen im Verdauungstrakt gewährleisten muss. Aus dem Grund sind vor allem die Anwendung über Atemwege oder der Haut interessant. Aber auch dort hat man mit verschiedenen Schwierigkeiten zu kämpfen, wie der Matrixstabilität und der Freisetzung der Phagen. Eine vielversprechende Matrix für eine Anwendung auf der Haut z.B. bei infizierten Wunden, ist die Verwendung von Filmen oder Membranen. Durch die Immobilisierung der Phagen in dem Film können diese direkt mit den Bakterien in der Wunde interagieren. Verwendet man eine hydrophile Matrix diffundieren die Bakterien aus der Wunde in die Polymerfilm und können dort von den Phagen unschädlich gemacht werden.

Ein vielversprechendes Matrixmaterial ist mikrokristallines Chitosan. Chitosan ist ein natürliches Polymer mit vielseitigen Eigenschaften, das in unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt werden kann. Es ist beispielsweise nicht toxisch, gut abbaubar, einfach zu modifizieren und wirkt selbst antibakteriell. Zudem besitzt es auch blutstillende sowie wundheilungsfördernde Eigenschaften und kann als dünner Film Juckreiz und Schmerzen reduzieren. Durch die positive Ladung des Polymers können negativ geladene Mikro- und Makromoleküle gut in der einer Chitosanmatrix immobilisiert werden. Dadurch ist Chitosan ein guter Kandidat für das Design von neuartigen Wundauflagen und als Träger für aktive Komponenten mit antibakteriellen Eigenschaften. In der Kombination mit z.B. Phagen als aktive Komponente ist es wichtig, die physiochemischen Eigenschaften der Membranmatrix und die biologischen Eigenschaften der Phagen aufeinander anzupassen um eine geeignete Effizienz am Zielort zu erreichen.

In der nachfolgenden Studie soll eine Chitosanbasierte Wundauflage in Filmform mit aktiven, lytischen Phagen beladen werden um die antibakteriellen Eigenschaften zu verbessern. Verwendet wurde hierbei ein Chitosan mit einem Molekulargewicht von 235 kDa und einem Deacetylierungsgrad von 86,8 %. Ein vergleichbares Produkt von HMC ist das Chitosan 85/500. Die Chitosanmatrix wurde mit jeweils einem von drei lytischen Pseudomonas aeruginosa Phagen beladen (KT28, KTN4 und LUZ19), die sich in taxonomischer Klassifikation, Kapsidgröße- und Morphologie, sowie die erkannten Rezeptoren unterscheiden. Untersucht wurden dabei die Freisetzungsprofile und mögliche Interaktionen mit der Chitosanmatrix. Anschließend wurde außerdem die antibakteriellen Eigenschaften gegenüber P. aeruginosa genauer betrachtet.

ERGEBNISSE

• Synthese von drei verschiedenen Matrixkompositionen → 1,5 % mikrokristallines Chitosan mit Glycerin (Verhältnis 1:0,6) zeigte die höchste Flexibilität und wurde für weitere Versuche ausgewählt
• Gute Bindungseigenschaften von Phagen an der Matrix
• Hohe Absorptionsfähigkeit von Wasser der Matrix vor und nach Zugabe der Phagen, korreliert mit der Art der Bindung zwischen Phagen und Matrix
• SEM zeigte eine unebene Oberfläche der Matrix→ ideal für bessere Adhäsion an der Wundoberfläche
• Antibakterielle Aktivität der mit Phagen beladenen Matrix gegenüber aeruginosa
• Nur geringe Anzahl von Vironen wurde von der Matrix freigesetzt, FTIR zeigte, dass die positiv geladenen Chitosan-Komponenten und die negativ geladenen Kapsiden der Phagen zu einer starken Adsorption der Phagen an die Matrixmoleküle führten

Schlussfolgerungen: In der präsentierten Studie wurde erfolgreich ein antipseudomonaler Phagen beladener Chitosan-Film hergestellt. Durch die gute Quellfähigkeit des Film und die Bindung zwischen positiv-geladenen Chitosan und negativ-geladenen Phagen, war es möglich P. aeruginosa zu absorbieren und die antibakterielle Wirkung direkt in der Matrix zu ermöglichen.  

Link zum Artikel: Chitosan-based matrix as a carrier for bacteriophages | Applied Microbiology and Biotechnology (springer.com)