Chitosan und aktuelle Herausforderungen in der Bekämpfung von Antibiotikaresistenzen

Die Bedeutung von Antibiotika ist auch heute noch unvermindert hoch. Allerdings treten vermehrt Antibiotikaresistenzen auf und nur wenige neue Wirkstoffe werden entdeckt, die diese umgehen können. In dem vorgestellten Artikel wurde deshalb ein chitosanbasiertes Nanomaterial entwickelt, das die antimikrobielle Wirkung von Chitosan ausnutzt, um Salmonella typhimurium zu eliminieren.

ELIMINIERUNG VON INTRAZELLULÄREN SALMONELLA TYPHIMURIUM MIT ACID-TRANSFORMING CHITOSAN UND FRAGMENT DNA POLYPLEXEN

Eradication of Intracellular Salmonella Typhimurium by Polyplexes of Acid-Transforming Chitosan and Fragment DNA. Julius A. Edson, Weiping Chu, Steffen Porwollik, Kaycee Tran, Nathalie Iribe, Michael McClelland, and Young Jik Kwon. Macromolecular Bioscience, Volume 21, Issue 7, 2000408, https://doi.org/10.1002/mabi.202000408

Aktuell stoßen die bisherigen Strategien der Identifizierung und Verwendung antimikrobieller Substanzen von Mikroorganismen an ihre Grenzen. Eine neue Strategie zur Bekämpfung von Antibiotikaresistenzen ist die Verwendung von Materialien mit einzigartigen biophysikalischen Eigenschaften wie Chitosan. Mit den Entwicklungen in der Nanotechnologie könnten aus diesen Materialien Nanoantibiotika hergestellt werden. Chitosan weist eine antimikrobielle Wirkung gegen ein breites Spektrum Gram-positiver und Gram-negativer Bakterien auf. Allerdings ist seine Anwendung bisher durch die geringe Löslichkeit in Wasser bei pH-Werten über 6 beschränkt.

Intrazellulär pathogene Mikroben wie Salmonella Typhimurium vermehren sich im Inneren von Wirtszellen. Dadurch umgehen sie das humorale Immunsystem des Wirtsorganismus. Die Gram-negativen S. Typhimurium Bakterien infizieren Menschen und andere Säugetiere, indem sie das Zytoskelett der Wirtszellen verändern und in leicht saure Endosomen (pH ca. 5) eindringen.

In dieser Studie wurde Chitosan am Sauerstoff des C6-Atoms mit Diglycolamin modifiziert, um ein Acetal zu bilden. Das erzeugte Acid-Transforming Chitosan (ATC) weist eine stark verbesserte Wasserlöslichkeit auf. In einer sauren Umgebungen wird die Acetalgruppe hydrolysiert und setzt Chitosan frei, dass dort seine antimikrobielle Wirkung entfalten kann. Zur Verbesserung der Aufnahme in die Zielzellen wurden Nanopartikel aus kationischem ATC und anionischer Fragment DNA (fDNA) gebildet. Diese Nanopartikel sind beim physiologischen pH-Wert von 7,4 stabil, werden aber im sauren Milieu der Lysosomen schnell abgebaut und setzen dadurch das ATC frei.

ERGEBNISSE

Die Wirksamkeit der ATC/fDNA Nanosphären wurde mit S. Typhimurium und RAW264.7 Makrophagen untersucht. Bei pH-Werten von 5,5 und 7,4 überlebten weniger als 50% der S. Typhimurium Bakterien. Die Wirkung der ATC/fDNA Polyplexe war bei hohen Dosen beim pH-Wert von 5,5 am besten. Im Vergleich zu Chitosan zeigten die ATC/fDNA Nanopartikel auch beim pH-Wert von 7,4 eine antimikrobielle Wirkung. Chitosan und die Nanopartikel wiesen keine akute Toxizität für die Makrophagen auf.

Schlussfolgerung: Die untersuchten ATC/fDNA Nanopartikel waren in der Lage intrazelluläre S. Typhimurium Bakterien zu eliminieren, ohne giftig für die Wirtszellen zu sein. Durch die hohe Stabilität und Löslichkeit beim physiologischen pH-Wert von 7,4 kann eine systematische Verabreichung ermöglicht werden. Aber es sind weitere Versuche hinsichtlich einer möglichen chronischen Toxizität und der Nutzbarkeit des Nanoantibiotikums in vitro nötig. Link zum Artikel: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/mabi.202000408