Funktionalisierung bakterieller Nanocellulose

Chronische Wunden unterschiedlicher Ätiologie, etwa bei arterieller und venöser Insuffizienz oder Diabetes mellitus, prägen die tägliche Wundversorgung.Neben chronischen Wunden verlangen insbesondere Verbrennungen eine Therapie, die die Balance zwischen Entzündungshemmung, Infektionskontrolle, Feuchtigkeits-management und atraumatischem Verbandwechsel wahrt.

Wunden dieser Art verharren häufig in einer prolongierten Entzündungsphase, sind mit Biofilmen besiedelt und zeigen eine gestörte Granulation und Epithelialisierung. Sie stellen dadurch eine erhebliche Herausforderung für eine optimale Wundtherapie dar.¹ Moderne Wundauflagen stellen ein feuchtes Milieu sicher und regulieren die Exsudatmenge. Verbrennungswunden weisen ein besonderes Risiko der Tiefenprogression auf. Wunden, die initial klinisch als oberflächlich eingeordnet werden, können sich in den Stunden bis Tagen nach dem Ereignis in tiefere bis vollschichtige Verbrennungen umwandeln.²

Über alle Wundtypen hinweg lassen sich gemeinsame Anforderungen an moderne Verbände formulieren. Sie sollen ein feuchtes Wundmilieu bereitstellen, den Wundrand und fragiles Granulationsgewebe schützen sowie Infektionen vorbeugen. Weiters sollten sie atraumatische und möglichst schmerzarme Verbandwechsel ermöglichen.^3–5

Bakterielle Nanocellulose

Bakterielle Nanocellulose (BNC) ist ein von Mikroorganismen synthetisiertes Polysaccharid, das als dreidimensionales, nanostrukturiertes Cellulosefasernetzwerk mit einem hohen Wassergehalt von bis zu 95% vorliegt. Die resultierende Matrix ist mechanisch stabil, zugleich weich und sehr gut an unregelmäßige Körperkonturen adaptierbar. BNC-basierte Wundauflagen sind klinisch etabliert und zeichnen sich durch hohe Biokompatibilität, ein effektives Feuchtigkeitsmanagement und eine geringe Haftung an der Wundoberfläche aus.⁶ Ein weiterer positiver Effekt ist die kühlende Wirkung infolge des hohen Wassergehalts und der an der Verbandsoberfläche entstehenden Verdunstungskälte. Frühzeitige Kühlung ist eine etablierte Maßnahme, um das Voranschreiten der Tiefenprogression bei Verbrennungen zu begrenzen.⁷ Vor diesem Hintergrund rückt BNC aufgrund ihrer günstigen physikochemischen und strukturellen Eigenschaften als vielseitiges und für die Funktionalisierung hervorragend geeignetes Trägermaterial in den Fokus.^3,4,8

BNC als Trägermaterial

© Joanneum Research/B. Bergmann 

Abb. 1: BNC-basierte Wundauflage epicite® balance

In präklinischen Arbeiten konnte gezeigt werden, dass BNC relevante Mengen antiseptischer Wirkstoffe wie Octenidin, PVP-Iod sowie Polyhexanid (PHMB) aufnehmen und über Stunden kontrolliert freisetzen kann.⁹ Die resultierenden Freisetzungsprofile zeigen eine klar nachweisbare antibakterielle Wirkung gegen klassische Wundkeime wie Staphylococcus aureus.^8,10,11 In einer klinischen Kohortenstudie an therapieresistenten, biofilmassoziierten Wunden zeigte PHMB-beladene BNC nicht nur eine deutliche Reduktion des Biofilms, sondern auch einen signifikanten Rückgang der Wundfläche, eine Zunahme der Granulation und geringere Schmerzen beim Verbandwechsel.¹² Auch direkte Vergleiche von antiseptisch beladener BNC mit silberhaltigen Verbänden weisen darauf hin, dass BNC bei geeigneter Wirkstoffwahl mindestens vergleichbare, zum Teil überlegene antibakterielle Effekte erzielen kann, ohne die potenzielle DNA-Toxizität und Langzeitakkumulation von Silber in Kauf nehmen zu müssen.⁸

Intelligente Wundauflage mit diagnostischer Funktion

© Joanneum Research/B. Bergmann 

Abb. 2: Machbarkeitsstudie „intelligente“ Wundauflage als pH-Sensorverband

Neben ihrer Funktion als Trägermaterial für Antiseptika ermöglicht BNC auch die Entwicklung „intelligenter“ Wundauflagen, die zusätzliche diagnostische Funktionen bieten. In Studien wurde gezeigt, dass der pH-Wert des Wundmilieus sich als indirekter Marker für Entzündung und Infektion eignet. Chronische und infizierte Wunden weisen häufig einen eher alkalischen pH-Wert auf, während heilende Wunden und gesunde Haut einen eher sauren pH-Wert haben.¹³ In einer Machbarkeitsstudie wurde gezeigt, dass mithilfe eines mehrschichtig aufgebauten, mit pH-Indikatorfarbstoff funktionalisierten BNC-Verbandes eine kontinuierliche Erfassung des pH-Wertes möglich ist. Farbänderungen der Auflage korrelierten dabei mit dem lokal gemessenen pH-Wert. Solche Sensorverbände könnten in Zukunft helfen, beginnende Infektionen früher zu erkennen und die Indikation für eine antiseptische Therapie gezielter zu stellen.¹⁴

Weitere Ansätze

Neben antimikrobiellen Strategien rückt zunehmend die modulierte, phasenadaptierte Mikrodosierung pro- oder antiinflammatorischer Mediatoren, wie zum Beispiel Steroide oder Hormone, in den Fokus. Dabei sollten potenzielle systemische Effekte bei großflächiger oder lang dauernder Anwendung topischer Steroide und anderer potenter Wirkstoffe tunlichst vermieden werden.⁵ BNC wurde als Trägermaterial für verschiedene bioaktive Moleküle untersucht, darunter lipophile antiinflammatorische Metaboliten wie α-Tocopherol-Derivate, deren kontrollierte Freisetzung aus BNC-Wundauflagen mit einer verbesserten Wundheilung assoziiert war.¹⁵ Glukokortikoide ließen sich mithilfe von Mikroemulsionen erfolgreich in BNC-Wundauflagen inkorporieren und zeigten dabei in vitro antiinflammatorische Effekte. In der Verbrennungsbehandlung deuten aktuelle Daten darauf hin, dass topisch verabreichte Steroide künftig eine größere Rolle bei der Kontrolle von Hypergranulation und überschießender Inflammation spielen könnten.^4,16 Prinzipiell erscheint die Beladung mit niedrigen Konzentrationen von Glukokortikoiden oder anderen entzündungsmodulierenden Substanzen technisch gut umsetzbar und wäre aus klinischer Sicht besonders dort attraktiv, wo eine kurzzeitige lokale Dämpfung überschießender Entzündung gewünscht ist, systemische Steroidexposition aber vermieden werden soll.

Ein weiterer innovativer Ansatz ist die Nutzung von BNC als Plattform für die topische Applikation von Hormonen wie Leptin und 17-β-Estradiol. In eigenen Ex-vivo-Untersuchungen konnten wir zeigen, dass nach topischer Applikation entsprechend beladener BNC-Wundauflagen im Wundgewebe und in der dermalen Interstitialflüssigkeit messbare Konzentrationen der applizierten Hormone vorliegen und dabei die Freisetzungskinetik aus der BNC in das Wundbett charakterisiert werden kann. In ergänzenden In-vivo-Versuchen wurde geprüft, ob es zu einer systemischen Freisetzung der Substanzen kommt. Hierbei konnten wir keine nachweisbaren systemischen Spiegel feststellen. Die Gewebekinetik war abhängig von der applizierten Substanz, mit rascherer Elimination von Leptin und länger nachweisbaren lokalen Estradiol-Spiegeln. Diese Daten sprechen dafür, dass BNC eine lokal nachweisbare Applikation hormoneller Wirkstoffe im Wundareal erlaubt, bei der systemische Risiken minimiert und die Dosis sowie Expositionsdauer an Wundtyp und Heilungsphase angepasst werden können.

Fazit

Die Kombination dieser Eigenschaften eröffnet in der Zukunft die Perspektive einer personalisierten, stadiengerechten Wundtherapie. Antiseptische, antiinflammatorische und proregenerative Wirkstoffe könnten über dasselbe, für Patientinnen und Patienten gut verträgliche Trägermaterial bedarfsgerecht dosiert in das Wundbett eingebracht werden.