A new approach to harness probiotics against common skin pathogens: towards living drug release systems - "ProbioPads"

Khalfallah, Ghazi; Möller, Martin (Thesis advisor); Wessling, Matthias (Thesis advisor); Lütticken, Rudolf (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022, 2023)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Drei "lebende" Wirkstoff-Freisetzungssysteme - die ProbioPads - welche die probiotischen Bakterien Streptococcus salivarius K12, Streptococcus salivarius M18 bzw. Lactiplantibacillus plantarum 8P-A3 in einem getrockneten, ruhenden Zustand enthalten - wurden erfolgreich entwickelt und hergestellt. Die probiotischen Bakterien wurden als konzentrierte Suspensionen in ein Vliesmaterial eingebracht, das zwischen zwei Polycarbonatmembranen (eine permeable und eine semipermeable und miteinander heißverschweißt) eingefügt wurde. Unter Verwendung der Niedertemperatur-Vakuumtrocknungstechnik wurden die Probiotika in den ProbioPads in Gegenwart von Trehalose oder Sorbit als Schutzsubstanz getrocknet, die zuvor der Suspension zugesetzt wurden, um die Zellen während des Trocknungsprozesses und der Lagerung bei Raumtemperatur zu konservieren. Nach Lagerung und In-vitro-Tests der ProbioPads mit zwei neu entwickelten Methoden wurde gezeigt, dass die ruhenden Probiotika reaktiviert werden können, wenn sie mit der semipermeablen Pad-Membran nach unten auf eine Hydrogel-Modelloberfläche aufgebracht werden. Die reaktivierten Probiotika konnten ihre antagonistische Wirkung gegen die drei potenziellen Hautpathogene Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa), Staphylococcus aureus (S. aureus) und Cutibacterium acnes (C. acnes) entfalten, indem sie antimikrobielle Substanzen produzierten, die durch die semipermeable Membran des ProbioPads diffundierten. Es wurde auch gezeigt, dass die antagonistische Aktivität der drei verschiedenen ProbioPads für mindestens drei Monate Lagerung in einem Exsikkator bei Raumtemperatur aufrechterhalten werden kann. L. plantarum 8P-A3 enthaltende ProbioPads waren gegen klinische Isolate von P. aeruginosa, C. acnes und S. aureus - einschließlich Stämmen mit mehrfacher Antibiotikaresistenz - sowie gegen andere Bakterienisolate aus Stammsammlungen wie Acinetobacter baumannii (A. baumannii), Klebsiella pneumoniae (K. pneumoniae) und Enterococcus faecalis (E. faecalis) aktiv. Dies zeigte das breite Hemmspektrum von L. plantarum 8P-A3 auf sowie das Potenzial von ProbioPads mit diesem Milchsäurebakterium als Alternative zur Behandlung von Acne vulgaris sowie anderen Haut- und Wundinfektionen, um den Einsatz von Antibiotika zu minimieren - ein Beitrag zur sog. Antibiotic Stewardship. In dieser Arbeit wurde nachgewiesen, dass die bemerkenswerte antagonistische Aktivität von L. plantarum 8P-A3 nicht allein auf der unspezifischen Wirkung von Milchsäure und/oder Wasserstoffperoxid beruht, sondern auch antimikrobielle Peptide, sogenannte "Bakteriocine", involviert sind. Dies wurde durch ein modifiziertes Spot-on-the-lawn-Testverfahren bestätigt, bei dem L. plantarum 8P-A3 gegen einen Bacteriocin-sensitiven Indikatorstamm eines Milchsäurebakteriums getestet wurde, wobei die unspezifische Hemmwirkung von Milchsäure und Wasserstoffperoxid ausgeschlossen wurde. Die Produktion der Bacteriocine aus L. plantarum 8P-A3 wurde zusätzlich untersucht, indem der Kulturüberstand nach fraktionierter Ammoniumsulfatfällung gegen den Indikatorstamm getestet wurde; dies zeigte eine inhibitorische Aktivität in der durch 60 % Ammoniumsulfat ausgefällten Proteinfraktion. Darüber hinaus zeigte die SDS-PAGE-Analyse das Vorhandensein von Proteinbanden in dieser Fraktion, die anscheinend mindestens einem der Zwei-Peptid-Bacteriocine (Plantaricin EF, Plantaricin NC8 oder ihre aggregierten Monomere) zuzuschreiben waren, die genetisch auf dem Plantaricin-Locus von L. plantarum 8P-A3 kodiert sind. Als Hauptergebnis dieser Arbeit wurden die Grundlagen für neuartige Therapeutika zur primären oder unterstützenden Behandlung von oberflächlichen Haut- und Wundinfektionen entwickelt, die für die klinische Anwendung weiter ausgearbeitet werden sollen.

Einrichtungen

• DWI - Leibniz-Institut für Interaktive Materialien e.V. [052200]
• Fachgruppe Chemie [150000]
• Lehrstuhl für Makromolekulare Chemie [154610]