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Die stille Pandemie

Antibiotikaresistenzen sind weltweit auf dem Vormarsch. Ein von der BUA gefördertes Forscher*innenteam entwickelt ein Gerät, das Resistenzen vorhersagen kann, bevor sie entstehen. Die Technik hat das Potenzial, neue Wege im Kampf gegen die Antibiotika-Krise zu eröffnen. Bei dem Projekt „GlobalResist“ sind auch Ethiker*innen an Bord, um mögliche negative Folgen der Innovation frühzeitig abschätzen zu können.

In die Zukunft blicken und damit Leben retten – das möchte ein Team um Prof. Dr. Jens Rolff. Der Evolutionsbiologe von der FU Berlin hat eine Labormethode entwickelt, um vorherzusagen, welche bakteriellen Erreger mit welcher Wahrscheinlichkeit Resistenzen gegen verschiedene Antibiotika bilden werden. Im Projekt „GlobalResist“, das die BUA unterstützt, soll daraus nun ein Gerät entstehen, das die Technik an Kliniken weltweit verfügbar machen würde – eine Art Resistenz-Detektor, mit dem Ärzt*innen künftig bessere Entscheidungen für den Einsatz von Antibiotika treffen sollen.

Antibiotikaresistenzen sind weltweit auf dem Vormarsch. Die Entstehung immer neuer, multiresistenter Erreger – also solcher Erreger, die sich selbst mit mehreren Wirkstoffen nicht mehr besiegen lassen – gilt mittlerweile als eine der größten gesundheitlichen Bedrohungen des 21. Jahrhunderts. Die Weltgesundheitsorganisation WHO spricht von einer „stillen Pandemie“. Bis 2050 könnten laut Hochrechnungen mehr Menschen an resistenten Bakterien sterben als an Krebs: bis zu 50 Millionen Tote jährlich.

Versuche, die Medikamente sparsamer und gezielter einzusetzen, gibt es schon länger, beispielsweise durch eine schnellere und genauere Diagnostik oder eine bessere infektionsmedizinische Ausbildung – wichtige Bausteine der weltweiten Antibiotic Stewardship Initiative. „Doch die bislang getroffenen Maßnahmen reichen nicht“, sagt Rolff. Zwei bis drei Jahre dauert es im Schnitt, bis gegen einen neu auf dem Markt eingeführten Wirkstoff erste Resistenzen auftreten. Der Einsatz von Antibiotika in der Tierhaltung und ihr gehäuftes Vorkommen im Abwasser beschleunigen den Prozess. Rolff möchte angesichts der bedrohlichen Zukunftsszenarien nun eine weitere Säule im Kampf gegen die Resistenzentwicklung beisteuern.

Die Idee: Mit dem neuen Detektor könnte das medizinische Fachpersonal künftig die Wahrscheinlichkeit der Entwicklung von Resistenzen bereits bei der Wahl des Antibiotikums mit einfließen lassen. „So möchten wir einen nachhaltigeren Einsatz von Antibiotika ermöglichen“, sagt Rolff, der als Zoologe lange die Abwehrmechanismen von Insekten gegen Infektionen erforscht und sich in den letzten Jahren verstärkt humanmedizinischen Fragestellungen zugewandt hat.

Eine neue optische Technologie

Ein Prototyp des Resistenz-Detektors existiert bereits. Rolff hat ihn in enger Zusammenarbeit mit Dr.-Ing. Ulrich Kertzscher entwickelt, dem Leiter des Labors für Biofluidmechanik an der Charité – Universitätsmedizin Berlin, gefördert vom Europäischen Forschungsrat (ERC). Im Rahmen der Grand-Challenge-Initiative „Global Health“ der BUA soll der Prototyp nun mit Forschenden von Charité, FU Berlin und TU Berlin in einer auf drei Jahre angelegten Förderung transdisziplinär weiterentwickelt werden. „Wir arbeiten über die verschiedenen Fachdisziplinen hinweg von Beginn an auf Augenhöhe zusammen – so können wir die Technologie mit Blick auf einen schnellen Einsatz im klinischen Alltag entwickeln“, sagt Prof. Dr.-Ing. Dirk Oberschmidt, der als Leiter des Fachgebiets Mikround Feingeräte der TU Berlin für die Konstruktion der optischen Detektionseinheit des Geräts verantwortlich ist.

Grundlage der Technologie sind Nährböden aus dem Geliermittel Agar Agar, die in speziellen Petrischalen mit verschiedenen Antibiotika in unterschiedlichen Konzentrationen und Kombinationen versetzt werden. Unter richtigen Kultur-Bedingungen benötigen Bakterien nur wenige Wochen, bis sie auf den eigentlich für ie toxischen Medien wachsen. Je nach Wirkstoff und Konzentration ist die Dauer dieser Anpassung unterschiedlich – und zeigt dadurch, gegen welche Antibiotika der jeweilige Erreger besonders schnell Resistenzen entwickeln kann. Im klinischen Alltag dauern diese Mechanismen der Resistenzbildung mehrere Jahre; ein Zeitvorsprung, der Prognosen für künftige Szenarien möglich macht. Doch bis zur Anwendungsreife sind noch zahlreiche technische Details zu klären. Wie beispielsweise misst man das Bakterienwachstum möglichst schnell und präzise?

„Wir wollen schon die ersten Zellteilungen erfassen“, schildert Oberschmidt die Herausforderung. „Viele Mikroorganismen breiten sich nicht nur flächenhaft aus, sondern auch in der Höhe. Deshalb ist es schwierig, das Wachstum mit herkömmlichen Methoden zu bestimmen.“ Um das Wachstum der verschiedenen Kulturen bereits in Größenordnungen weniger Mikrometer zu überwachen, setzt der Ingenieur auf ein linsenloses Mikroskop. Die Technik, die erst seit wenigen Jahren existiert und von der Arbeitsgruppe der TU Berlin vorangetrieben wird, basiert auf einem digitalen optischen Sensor. Statt mit einem Objektiv einzelne Teilbereiche zu vergrößern, soll die gesamte Fläche der Petrischale ständig überwacht werden. Die Ausdehnung in der dritten Dimension bringt zusätzliche Herausforderungen mit sich. Eine mögliche Lösung könnte die digitale Holografie bringen, mit der sich selbst kleinste Veränderungen im Volumen abbilden lassen.

Fehlentwicklungen und Folgeeffekte frühzeitig erkennen

In Zukunft könnte der Resistenz-Detektor in Kliniken weltweit die Infektionstherapie mikrobiologisch begleiten. Entsprechend leicht muss die Technik zu bedienen und in den klinischen Alltag zu integrieren sein. In das BUA-Projekt sind bereits künftige Anwender eingebunden, darunter eine Klinik in Uganda und ein Umweltingenieursbüro in Kolumbien. „Der frühe Austausch mit den verschiedenen Akteuren erlaubt, ethische Überlegungen von Beginn an in die Technologieentwicklung einzubetten und ungewollte Effekte abzufangen“, sagt Prof. Dr. Sabine Ammon, die das Fachgebiet Wissensdynamik und Nachhaltigkeit in den Technikwissenschaften an der TU Berlin leitet.

„Unsere Forschung greift in vielen Methoden auf transdisziplinäre Ansätze zurück“, sagt die Expertin für Technikfolgenabschätzung. Ihre Beteiligung an dem Projekt habe es deshalb ermöglicht, ein zentrales Förderkriterium der BUA zu erfüllen. Gemeinsam mit dem wissenschaftlichen Mitarbeiter Nils Neuhaus organisiert sie Workshops der Projektpartner*innen und adressiert ethische Fragestellungen, damit sich etwaige Fehlentwicklungen und problematische Folgeeffekte frühzeitig korrigieren lassen.

„Vorstellbar wäre etwa, dass es nach Einführung der Technik zu einem Reboundeffekt kommt“, sagt Ammon. Die Befürchtung: Ähnlich wie die Entwicklung sparsamerer Motoren dazu geführt hat, dass die Kund*innen immer größere und stärkere Autos fahren, könnte sich nach Einführung der Resistenz-Vorhersage bei Mediziner*innen eine Sorglosigkeit breitmachen, die im Endeffekt zu einer vermehrten Nutzung von Antibiotika führt.

Als Ethikerin von Beginn an in das Projekt eingebunden zu sein, findet Sabine Ammon besonders sinnvoll. „Früher war unsere Aufgabe eine begleitende oder nachträgliche Bewertung technischer Entwicklungen und ihrer gesellschaftlichen Folgen“, so die Philosophin. Das BUA-Projekt ermögliche es nun, auf Augenhöhe an der Entwicklung beteiligt zu sein – im Sinne einer integrierten Ethik. Ammon: „Unsere ethischen Überlegungen können in diesem Projekt direkt in die technische Entwicklung zurückwirken und zu Anpassungen führen.“

Text: Dietrich von Richthofen

Originalpublikation

Der Text ist erschienen in der Broschüre "Wir/Vier - Die TU Berlin in der Berlin University Alliance".