NIFE-Hannover
Implantatassoziierte InfektionImplantatassoziierte Infektion
NIFE-Hannover
Menü

NIFE Video

Unsere Partner

Implantatassoziierte Infektionen

Durch bakterielle Biofilme verursachte Infektionen spielen in allen medizinischen Bereichen eine entscheidende Rolle. Implantate wie z.B. dentale Implantate, Hüftgelenks- und Knieprothesen, Herzschrittmacher, künstliche Herzklappen oder Cochleaimplantate bestehen aus artifiziellen Materialien, an denen Bakterien adhärieren und sich in komplexen und antibiotikaresistenten Biofilmgemeinschaften organisieren können. Die in der Folge entstehenden Entzündungsreaktionen und damit verbundenen fortschreitenden destruktiven Prozesse führen zu Funktionsverlusten des Implantats und damit zu erheblichen Beeinträchtigungen des Patienten bis hin zu teilweise lebensbedrohlichen Komplikationen. Die aufwendigen und risikobehafteten Behandlungen, die häufig in der kompletten Entfernung des Implantatmaterials enden, führen nicht nur zu hohen Beeinträchtigungen des Patienten sondern auch zu erheblichen Belastungen für das Gesundheitssystem. Vor dem Hintergrund, dass zum heutigen Zeitpunkt die Komplexität und Diversität der verschiedenen humanen Biofilme sowie deren pathogene Mechanismen und Interaktionen mit Geweben noch nicht ausreichend erforscht sind, eröffnet sich hier ein Forschungsfeld, das neben einer hohen klinischen und gesundheitsökonomischen Relevanz auch höchsten wissenschaftlichen Ansprüchen an Originalität und Aktualität gerecht wird.

Eine Vielzahl von Wissenschaftlern arbeiten im Großraum Hannover zusammen an der Bekämpfung von Implantatinfektionen, die in ihren jeweiligen medizinischen Fachgebieten langjährige klinische Erfahrung mit Implantaten und Implantatinfektionen sowie große grundlagenwissenschaftliche Expertise auf diesem Gebiet aufweisen und in verschiedenen Forschungsvorhaben Biomaterialien zur Reduktion von unerwünschten Nebenwirkungen entwickeln. Trotz unterschiedlicher Funktionalitäten der untersuchten Organbereiche gelten für Untersuchungen der mit Biofilmen assoziierten Erkrankungen übereinstimmende Fragestellungen, die nur durch langfristig ausgerichtete kooperative Lösungsansätze erfolgreich erforscht werden können. Eines der beiden Hauptforschungsziele des Schwerpunktes biomaterialassoziierte Infektionen besteht in der Entwicklung neuer diagnostischer und therapeutischer Strategien auf der Basis einer systematischen Charakterisierung von Biofilmen auf Implantatoberflächen und den daraus resultierenden implantatassoziierten Erkrankungen. Das Augenmerk liegt hierbei auf dem Nachweis der bakteriellen Diversität, von Struktur- und Pathogenitätsmerkmalen bei verschiedenen klinisch relevanten Implantat- und Organsystemen bzw. der nachzuweisenden Kongruenz zwischen bakteriellem Konsortium und diversen klinisch-pathologischen Phänotypen. Diese Informationen werden für die Entwicklung moderner Biomarker genutzt. Eine Grundlage hierfür stellt die Biobank BIT im NIFE dar, die durch den festgelegten Sammlungsschwerpunkt (Implantate, Biofilme und assoziierte Gewebe) für die verschiedenen infektionsbiologisch relevanten Bereiche Untersuchungsmaterial zur Verfügung stellen kann. Auf dieser Basis ist es möglich, die bakteriellen Verursacher von Implantatinfektionen zu identifizieren und ein grundlegendes Verständnis über das Adhäsionsverhalten, das Wachstum und die Pathogenitätsmechanismen komplex zusammengesetzter Biofilme aber auch einzelner Spezies zu erlangen. Moderne molekularbiologische (NGS-Sequenzierung, DNA-Microarrays) und mikroskopische Verfahren (Konfokale Laserscanningmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie) ermöglichen es, wertvolle Erkenntnisse zur Struktur und Dynamik von Bakterien innerhalb einer protektiven extrazellulären Biofilmmatrix zu gewinnen. Über die Diversität von Biofilmgemeinschaften hinaus werden der Einfluss von Umweltfaktoren auf die Ausbildung, Beschaffenheit, Zusammensetzung und Verbreitung von Biofilmen anhand von Expressionsprofilen und bildgestützter Auswertungen untersucht. Weiterhin werden die bei der Entzündungsreaktion involvierten chemischen Abwehrmechanismen des Wirtes sowie die proinflammatorischen Reaktionen und involvierten Signalkaskaden mit dem Ziel analysiert, irreversibel entzündliche Prozesse, die ein wesentlicher Aspekt für das Scheitern einer dauerhaften Implantatversorgung sind, in Zukunft durch das Ausschalten von pathogenassoziierten Molekülen oder unerwünschten Wirtssignalen als Präventions- oder Therapieansatz nutzen zu können.

Der zweite Forschungsschwerpunkt beinhaltet die Entwicklung von Strategien zur dauerhaft wirkungsvollen Prävention von bakterieller Besiedlung bzw. Biofilmentstehung auf unterschiedlichen Materialen mittels innovativer Oberflächenfunktionalisierungen. Im Rahmen interdisziplinärer Forschungsprojekte werden in vitro und in situ ultrastrukturelle und molekularbiologische Analysen des Biofilms zur Beurteilung der antibakteriellen Wirksamkeit und Biokompatibilität verschiedener Implantatoberflächen durchgeführt. Dazu kommen standardisierte Testsysteme mit Zulassungsrelevanz zur Anwendung. Eine besondere Herausforderung besteht darin, mit Hilfe innovativer Implantatsysteme Biofilme bzw. einzelne Bakterienspezies selektiv zu bekämpfen, ohne jedoch die in den einzelnen operativen Disziplinen geforderte Biokompatibilität unterschiedlicher Implantatmaterialien zu beeinträchtigen. Für die Entwicklung dieser antibakteriellen Implantatoberflächen werden Materialien physikalisch und / oder chemisch funktionalisiert, so dass bakterielle Biofilme in ihrer Struktur und Zusammensetzung verändert und pathologische Prozesse gezielt unterbunden werden. Weiterhin werden aktuelle Trends der Biomaterialforschung wie biomimetische Strukturgebung, Prävitalisierung von Implantaten, Gestaltung der extrazellulären Matrix durch Oberflächenstrukturen und Regulation der biologischen Antwort in die anwendungsorientierte Biomaterialentwicklung übernommen. Für die Testung innovativer Biomaterialien stehen eine Reihe etablierter In-vitro- und In-vivo Modelle zur Verfügung. Zu diesen gehören ein bakterielles Multi-Spezies Biofilmmodell, ein Kokultursystem zur Erforschung der Wechselwirkungen zwischen humanen Zellen und Bakterien auf Oberflächen sowie ein atraumatisches In-vivo-Modell für Untersuchungen an nativen oralen Biofilmen.

Der Forschungsschwerpunkt Implantatassoziierte Infektionen stellt einen Teil im Verbund der Forschungsschwerpunkte dar, der in ausgeprägten Wechselwirkungen mit allen Gruppen des NIFE steht, da zentrale Fragen der Biomedizintechnik und der Anwendung von biologischen und artifiziellen Implantaten auch immer mit Fragen der Prävention und Therapie von bakteriellen Infektionen verknüpft sind. Die im Rahmen dieses Forschungsschwerpunkts gewonnenen Erkenntnisse zu Wechselwirkungen zwischen Implantatoberflächen, Biofilmen und menschlichen Geweben sowie die etablierten standardisierten Testsysteme werden in der Zukunft auch für eine Reihe anderer medizinischer Disziplinen von elementarer Bedeutung sein und bieten eine exzellente Basis für die Entwicklung von Strategien zur Vermeidung frühzeitiger Implantatverluste durch bakterielle Infektionen.