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Viele Implantat-assoziierte Infektionen gehen von Biofilmbildungen aus. Diese möchte man durch neue Modifizierungen der Biomaterialoberflächen verhindern, doch scheitert dies bisher 1) an ungenügender Kenntnis bakterieller Adhäsionsmechanismen und 2) am Mangel geeigneter standardisierter in-vitro-Prüfmethoden zur Quantifizierung zeitabhängiger molekularer und bakterieller Wechselwirkungen.

Teichonsäuren der Zellwand (wall teichoic acids, WTA) von Staphylococcus aureus soll eine adhäsionsvermittelnde Rolle bei der Wechselwirkung mit polymeren Biomaterialien zukommen.

Ziel der Studie war die Untersuchung der Adsorption/Desorption isolierter WTA auf verschiedenen Biomaterialoberflächen mittels eines akustischen Sensorsystems (QCM-D)  in Abhängigkeit der makromolekularen Vorkonditionierung mit körpereigenen Proteinen.

Titan-beschichtete 5 MHz-Schwingquarze (Abb. 1) wurden  hierzu (a) RFGD-plasmagereinigt, (b) mit DC-PEG (Dicarboxy-Polyethylenglycol) modifiziert oder (c) mit amorphem Teflon (Teflon AF) beschichtet.

Abb-1

Abb. 1: Quarzkristall-Sensor.

Konditioniert wurden diese Oberflächen mit humanem Serumalbumin (HSA) bzw. humanem Fibronektin (Fn). Wildtyp-WTA sowie WTA aus dltA-Mutante (kein D-Ala) wurde untersucht.

Die modifizierten Quarzkristalle wurden als akustische Sensoren einer Quarzkristallmikrowaage (QCM-D, Q-Sense, Göteborg) in eine thermostatisierbare Durchflußzelle integriert, die mit einem Fließinjektionssystem (flow-injection-analysis, FIA) verbunden war. Damit konnte die jeweilige Analytlösung (HSA, Fn, WTA) in einen permanenten Pufferstrom injiziert werden (Abb. 2).

Abb-2

Abb. 2: QCM-D/ FIA experimentelles Set-up.

Ergebnisse:
Es konnte gezeigt werden, dass die Teichonsäure-Wechselwirkung von der Biomaterialoberfläche abhängig ist.

Abb-3

Abb. 3: Materialabhängiger Frequenzverlauf während Teichonsäure-Adsorption/Desorption.

Abb-5

Abb. 5: Dissipationsverlauf nach Konditionierung von Titan.

Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die Teichonsäure-Wechselwirkung von der Konditionierung abhängig ist.

Abb-4

Abb. 4: Frequenzverlauf nach Konditionierung von Titan.

Die makromolekulare Vorkonditionierung führt zu einer starken Reduktion der Teichonsäure-Adsorption. Die hier am Beispiel von Titan gezeigten, durch Konditionierung veränderten Frequenz- und Dissipationsverläufe (Abb. 4,5) wurden auch auf konditioniertem DC-PEG und Teflon beobachtet. Die sehr geringen Dissipationsänderungen während der Teichonsäure-Adsorption auf Titan und HSA zeigen, dass die Frequenzshifts Masseänderungen anzeigen. Dagegen kann auf FN einer sehr starkes, aber reversibles Dissipationssignal beobachtet werden, ein Beleg für eine temporäre Zunahme der Viskoleastizität der Grenzschicht während der Teichonsäure-Einwirkung. Die zeitgleiche starke Frequenzverschiebung von ca. 60 Hz ist daher nicht als adsorbierte Masse zu interpretieren. Die dltA-Mutante, die im Vergleich zum Wildtyp Teichonsäure ohne D-Alanin bildet und daher stärker negativ geladen ist, wurde ebenfalls getestet. Signifikante Unterschiede zum Wildtyp konnten bisher nicht detektiert werden.

Die Studie zeigt, dass Teichonsäure-Wechselwirkungen von der Biomaterialoberfläche abhängig sind und stark durch konditionierende Proteinfilme beeinflusst werden.

Die Befunde sind für die klinische Infektionsproblematik relevant, da sie neue Möglichkeiten eröffnen, durch gezielte Oberflächenmodifizierungen, z.B. biologische Konditionierungen, Adhäsion und Biofilmbildung auf Implantaten zu reduzieren. Die QCM-D-Analytik kann hierbei zur online-Sensorik bei der Prüfung neuer Oberflächen eingesetzt werden.

Förderung:

  • Rolle von Teichonsäuren für die initiale Adhäsion des nosokomialen Biofilmbildners Staphylococcus aureus auf Biomaterialoberflächen (fortüne 1330-0-0).

Basierend auf diesem fortüne-Projekt konnte im ITI-Forschungsprojekt (ITI 289/2003) „Influence of roughness and composition on initial wettability and biofilm conditioning of titanium implant surfaces“ eine zweijährige Verlängerung (ITI 407/2005) erreicht werden.

Publikationen:

    Rupp F, Seher A, Kohler T, Peschel A, Geis-Gerstorfer J. Interactions of Staphylococcus aureus cell wall teichoic acids with modified titanium implant surfaces studied by QCM-D. Biomaterialien 7 (S1): 108 (2006).

Kooperationspartner:

  • Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik, Sektion Medizinische Werkstoffkunde & Technologie, Universitätsklinikum Tübingen (Rupp).
  • Institut für Medizinische Mikrobiologie und Hygiene, Sektion Zelluläre und Molekulare Mikrobiologie (Peschel).