Was sind Biofilme?

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Biofilme sind organisierte Lebensgemeinschaften von Mikroorganismen wie Bakterien und Pilze, die sich häufig in einer ‚Schleimschicht‘ eingebettet auf Oberflächen ansiedeln. Für Mikroorganismen bietet der Biofilm Vorteile wie leichtere Ernährung und Wachstum, erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Antibiotika und besserer Schutz gegen Angreifer aus dem menschlichen Immunsystem. Biofilme bilden ein sich immer wieder erneuerndes Reservoir von teilweise multiresistenten Erregern. Nach Angaben der National Institutes of Health lassen sich 80 Prozent aller Infektionen auf Biofilme zurückführen.  

Biofilme sind vermutlich die ältesten Lebensgemeinschaften der Erde und sie sind überall. Für Menschen mit einem gesunden Immunsystem ist das Risiko, an einer Biofilm-assoziierten Infektion zu erkranken, relativ gering. Für kranke oder verletzte Menschen besteht allerdings Lebensgefahr durch Biofilme: Die Keime werden vom Immunsystem nicht mehr ausreichend abgewehrt. Sie sind deshalb eine oft nicht mehr behandelbare Gefahr für Patienten auf Intensivstationen und immunsupprimierte Patienten nach Organtransplantationen, onkologischer Chemotherapie oder Eingriffen.

Unsere Arbeit und ihre Ziele

Das Team des DHZB-Biofilmzentrums

Das Biofilmzentrum unter der Leitung von PD Dr. Annette Moter dient der Erforschung und Diagnostik von Biofilminfektionen und anderen schwer diagnostizierbaren Infektionen. Es betreibt praxisnahe Grundlagenforschung, um Wesen und Funktionalität von Biofilmen zu entschlüsseln und therapeutische Konzepte zu entwickeln, mit denen Biofilminfektionen wirksamer bekämpft werden können.

Dazu bedarf es innovativer Laborverfahren zur schnellen, präzisen Keimidentifikation. Mit der Identifikation können die Keimreduktion, Keimeradikation und Prävention von Biofilmen wirksamer betrieben und eine individualisierte Infektionstherapie entwickelt werden.

Innovative Diagnostik auf höchstem Niveau

Auf der diagnostischen Seite untersucht das Biofilmzentrum am DHZB operierte Herzklappen mit Verdacht auf Endokarditis, Kunstherz- (VAD – Ventricular Assist Devices) und Schrittmacher-Kabel und beurteilt sie mikrobiologisch. In vielen Fällen werden so Infektionen festgestellt, die der Routinediagnostik entgehen. Dies liegt zum Beispiel daran, dass einige Mikroorganismen nicht oder nur schwer im Labor kultivierbar sind. Andere Gründe sind die Lebensform Biofilm an sich und eine antibiotische Vorbehandlung des Patienten, die den Nachweis durch herkömmliche kulturelle Methoden erschweren können.

Eine erfolgreiche Pathogen-Identifikation ermöglicht eine gezielte Antibiotika-Therapie des Patienten mit deutlich verbesserten Heilungschancen.

Des Weiteren leitet Frau Dr. Moter am Deutschen Herzzentrum das Konsiliarlabor Tropheryma whipplei im Auftrag des Robert Koch-Instituts. T. whipplei ist ein Bakterium, das in seltenen Fällen den Morbus Whipple verursacht, eine Infektionskrankheit, die unbehandelt tödlich verläuft und auch die Herzklappen befallen kann.

Unsere aktuellen Forschungsprojekte

Im Bereich der Forschung konnte das Biofilmzentrum Mittel mehrerer großer Förderprogramme mit einer Gesamtfördersumme von über einer Million Euro einwerben. Ziel des im Juli 2017 gestarteten Verbundprojektes iSOLID (Integrated Solutions for Infection Detection) ist es, mit Hilfe digitaler Bilddiagnostik Biofilm-Infektionen schneller und sicherer diagnostizieren und entsprechende Therapieempfehlungen geben zu können. 

Am Verbundprojekt beteiligt sind die HB Technologies AG, die CHILI GmbH, das Biofilmzentrum des Deutschen Herzzentrums Berlin und das Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) durch seinen Projektträger VDI Technologiezentrum GmbH Düsseldorf für drei Jahre gefördert. 

Im Rahmen des vom BMWi-geförderten Programms EXIST-Forschungstransfer wird das Biofilmzentrum bei der Vorbereitung einer Ausgründung für verbesserte Biofilm-Diagnostik unterstützt. Dieses Projekt wird von Frau Dr. Judith Kikhney im Biofilmzentrum geleitet. Eine Anschlussförderung wurde bereits positiv beschieden.

Weitere Forschungsprojekte sind die Entwicklung eines Automaten für die Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) in Kooperation mit der Kölner Firma INTAVIS, die Kombination von FISH mit Histologie, und die Erforschung von Biofilmen auch mit internationalen Kooperationen in weiteren Krankheitsgebieten wie Wunden oder Implantat-Infektionen.

Innerhalb des EU-Programmes der europäischen COST-Action ipromedai ("Improved protection of medical devices against infection") führt das Biofilmzentrum die Arbeitsgruppe Cardiovascular Devices – es übernimmt so eine führende Rolle bei der Entwicklung und Verbesserung von kardiovaskulären Implantaten. 

Auswahl Publikationen

  • Schönrath et al. 2017 Life on the driveline - molecular detection and FISH-based visualization of microbial species in patients with left ventricular assist devices Journal of Heart and Lung Transplantation, in press
  • Stewart PS, Zhang T, Xu R, Pitts B, Walters MC, Roe F, Kikhney J, Moter A.Reaction-diffusion theory explains hypoxia and heterogeneous growth within microbial biofilms associated with chronic infections. NPJ Biofilms Microbiomes. 2016 Jun 22;2:16012. doi: 10.1038/npjbiofilms.
  • Xu Y, Larsen LH, Lorenzen J, Hall-Stoodley L, Kikhney J, Moter A, Thomsen TR. Microbiological diagnosis of device-related biofilm infections. APMIS. 2017 Apr;125(4):289-303. doi: 10.1111/apm.12676. Review.
  • Frickmann H, Zautner AE, Moter A, Kikhney J, Hagen RM, Stender H, Poppert S. Fluorescence in situ hybridization (FISH) in the microbiological diagnostic routine laboratory: a review. Crit Rev Microbiol. 2017 May;43(3):263-293. doi: 10.3109/1040841X.2016.1169990. Epub 2017 Jan 27. Review.
  • Kumpf O, Dohmen P, Ertmer M, Knebel F, Wiessner A, Kikhney J, Moter A, Treskatsch S. Rapid molecular diagnosis of infective aortic valve endocarditis caused by Coxiella burnetii. Infection. 2016 Dec;44(6):813-817. Epub 2016 Jun 23.
  • Hall-Stoodley L, Stoodley P, Kathju S, Høiby N, Moser C, Costerton JW, Moter A, Bjarnsholt T. Towards diagnostic guidelines for biofilm-associated infections. FEMS Immunol Med Microbiol. 2012 Jul;65(2):127-45. doi: 10.1111/j.1574-695X.2012.00968.x. Epub 2012 May 2. Review.
  • Geissdörfer W, Moos V, Moter A, Loddenkemper C, Jansen A, Tandler R, Morguet AJ, Fenollar F, Raoult D, Bogdan C, Schneider T. High frequency of Tropheryma whipplei in culture-negative endocarditis. J Clin Microbiol. 2012 Feb;50(2):216-22. doi: 10.1128/JCM.05531-11. Epub 2011 Nov 30
  • Moter A, Musci M, Schmiedel D. Molecular methods for diagnosis of infective endocarditis. Curr Infect Dis Rep. 2010 Jul;12(4):244-52. doi: 10.1007/s11908-010-0111-6.