Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Es ist das Ziel des Projekts, einen Beitrag zur Minderung der insgesamt eingesetzten Mengen antibakteriell wirksamer Stoffe in der Nutztiermedizin gem\u00e4\u00df dem Antibiotika-Minimierungskonzept und damit zu einer Verminderung der Umweltbelastung und einer Verbesserung der Resistenzsituation zu leisten. <\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZun\u00e4chst wurden neuartige submikrone Arzneimittelformulierungen (verwendeter Wirkstoff: Trimthoprim) entwickelt, welche in sich anschlie\u00dfenden In-vitro-Untersuchungen (Stabilit\u00e4t der Formulierungen, Biofilmbildung, Resistenzentwicklung und physikalische Interventionsm\u00f6glichkeiten) als auch in In-vivo-Untersuchungen an Schweinen eingesetzt werden. Hierbei wurden die Bioverf\u00fcgbarkeit verschiedener Formulierungen, die Resistenzentwicklung kommensaler Keime, sowie die Umweltbelastung im Tierstall untersucht. Der in Tr\u00e4nkesystemen bestehenden Problematik der Biofilmbildung, die sowohl die Wirkstoffverf\u00fcgbarkeit negativ beeinflussen als auch zur Ansiedlung resistenter Bakterien beitragen kann, soll parallel mit Hilfe einer physikalischen Methode begegnet werden.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Bei der Herstellung der submikronen Partikel kamen Spr\u00fchtrocknung, Wirbelschichtgranulation und Hochenergiegranulation zur Anwendung. Eine Kombination von Natriumdodecylsulfat und Hydroxypropylcellulose erwies sich als geeignet, um die kolloidale Stabilit\u00e4t der zerkleinerten Wirkstoffpartikel zu gew\u00e4hrleisten. Die hergestellten Wirkstoffsuspensionen wiesen eine enge Partikelgr\u00f6\u00dfenverteilung im submikronen Gr\u00f6\u00dfenbereich auf. Es fiel auf, dass Trimethoprim in saurem pH (Magen) umkristallisiert; es entsteht eine st\u00e4bchen- bzw. nadelartige Struktur, wohingegen im basischen Bereich eine kompakte Kristallform vorliegt. Um einer Umkristallisation vorzubeugen, wurde zus\u00e4tzlich ein magensaftresistentes Coating verwendet. In vitro konnte gezeigt werden, dass aus allen Granulaten durch Auswahl passender Formulierungs- und Prozessparameter die zuvor eingesetzten submikronen Wirkstoffpartikelgr\u00f6\u00dfen wieder redispergierbar waren. Die Freisetzung des Trimethoprims und des in Kombination vewendeten Sulfadiazins wird insbesondere durch die Granulatgr\u00f6\u00dfe beeinflusst F\u00fcr die Bestimmung von Sulfadiazin und Trimethoprim wurden chromatographische Nachweisverfahren etabliert und validiert (HPLC-UV, HPLC-MS). Die Wirkstoffe wiesen eine hohe Stabilit\u00e4t (untersucht \u00fcber 70 Versuchstage) auf. Unter ameisensauren Bedingungen konnte nach 5 Tagen ein neuer Peak detektiert werden, der bis zum 70. Versuchstag auf 4 % \u0096 mit und ohne Lichteinfluss \u0096 anstieg. <\/p>\n
In den mit den Testformulierungen aus den jeweiligen Herstellungsprozessen durchgef\u00fchrten Experimenten an Schweinen konnten unter den gegebenen Versuchsbedingungen hinsichtlich der Bioverf\u00fcgbarkeit und der Umweltbelastung \u00fcber St\u00e4ube keine Vorteile der auf submikronen Partikeln basierenden Formulierungen festgestellt werden. In keinem der Versuchsdurchg\u00e4nge konnte Trimethoprim in luftgetragenem Staub (Polycarbonatfilter) oder im Plasma unbehandelter Sentinel-Schweine detektiert werden. Sulfadiazin wurde lediglich in dem Versuchsdurchgang, in welchem mit Wirbelschichtgranulat behandelt wurde, in der Stallluft (Aerosolstaub) nachgewiesen. Im Sedimentstaub lagen die f\u00fcr Trimethoprim nach der Behandlung mit den Testformulierungen ermittelten Werte stets unterhalb der Quantifizierungsgrenze. Sulfadiazin konnte hingegen im Sedimentationsstaub nachgewiesen werden. <\/p>\n
Das Coating erwies sich hinsichtlich des Ziels des Projekts, durch eine verbesserte Wirkstoffverf\u00fcgbarkeit eine Reduzierung der zu verabreichenden Dosis zu erreichen, als nicht zielf\u00fchrend, da die erreichten Sulfadiazinkonzentrationen niedriger waren. Da bei den kommensalen intestinalen E. coli der Schweine, die in den einzelnen Versuchsabschnitten eingesetzt wurden, bereits eine Sulfonamidresistenz vorlag, konnten keine Aussagen zur Beeinflussung des Resistenzgeschehens in vivo gemacht werden. In einem In-vitro-Ansatz zeigte sich, dass das 19:1-Verh\u00e4ltnis von Sulfonamid zu Trimethoprim geeignet ist, eine Resistenzentwicklung zu minimieren. <\/p>\n
Im zweiten Projektteil wurden zun\u00e4chst die Biofilmentstehung sowie das Verhalten des Biofilms w\u00e4hrend einer antibiotischen Exposition untersucht, um als n\u00e4chsten Schritt ein von der Bauer Solutions GmbH (Beckum) vertriebenes Ger\u00e4t hinsichtlich einer Verminderung der Keimbelastung und der Biofilmbildung in Tr\u00e4nkwassersystemen und eines Effekts auf dem Wasser zugesetzte Wirkstoffe (Stabilit\u00e4t) zu \u00fcberpr\u00fcfen. Durch die Untersuchungen zur Biofilmentstehung konnte festgestellt werden, dass die mit Tr\u00e4nkwasser \u00fcblicherweise verabreichten Konzentrationen von Sulfadiazin und Trimethoprim keine Auswirkungen auf die Keimgehalte von Polykultur-Biofilmen in PVC-Rohren unter n\u00e4hrstoffarmen Bedingungen bei 20 \u00b0C hatten. Bez\u00fcglich des Sulfadiazingehalts im fl\u00fcssigen Medium konnten nach einer Stunde Exposition Konzentrationsunterschiede zwischen dem Biofilm- und dem Kontrollrohr bestimmt werden. Zudem konnte Sulfadiazin in der Fl\u00fcssigkeit der vorherigen Waschschritte und in der PBS-Biofilm-L\u00f6sung quantifiziert werden. Der Wirkstoffgehalt in der PBS-L\u00f6sung mit Biofilm lag sechs- bis achtfach h\u00f6her als im Kontrollrohr. Die Wirkstoffdiffusion in oder -adsorption an den Biofilm kann insofern best\u00e4tigt werden. Ferner l\u00e4sst sich vermuten, dass die Dichte des Biofilms einen Einfluss auf die Aufnahmemenge von Sulfadiazin haben k\u00f6nnte. Bei einem geringeren KbE-Gehalt pro cm\u00b2 k\u00f6nnte auch weniger Sulfadiazin in den Biofilm eindringen. Was man bisher nicht absch\u00e4tzen kann, ist ein m\u00f6glicher Einfluss der extrazellul\u00e4ren Substanzen (EPS), die einen Gro\u00dfteil eines Biofilms ausmachen; so k\u00f6nnte bei einer geringeren KbE-Dichte weniger EPS produziert werden.
\nSulfadiazin kann beim Autoklavieren unter SO2-Verlust zu Sulfadiazinex umgewandelt werden. Diese SO2-Extrusion ist bei Sulfonamiden auch als Photolysereaktion beschrieben. Die Summenformel \u0084C12H12N4O\u0093 von SDZex wurde mittels hochaufl\u00f6sender Massenspektrometrie best\u00e4tigt. Bisher ist wenig bekannt \u00fcber Stabilit\u00e4t und biologische Wirkung dieser Transformationsprodukte, die m\u00f6glicherweise in der Umwelt gebildet werden k\u00f6nnen. Sulfadiazinex zeigte sich als sehr stabil in Methanol sowie in w\u00e4ssrigen L\u00f6sungen bei pH 4, 7 und 10. Insofern k\u00f6nnte die Photolyse eine wichtige Reaktion f\u00fcr die Inaktivierung von Sulfonamiden \u0096 m\u00f6glicherweise auch in der Umwelt \u0096 darstellen.
\nMit Hilfe von Pseudomonas fluorescens konnte Sulfadiazinex durch den Modellbiofilm in ein Transformationsprodukt umgewandelt werden. Dabei entstand ein acetyliertes Produkt an der endst\u00e4ndigen Amino-Gruppe, welches durch die Bestimmung der exakten Masse und des Fragmentmusters identifiziert werden konnte. Die Transformation von Sulfadiazinex durch den Modellbiofilm zeigt, dass dieser auch metabolisch aktiv ist. Interessant ist zus\u00e4tzlich, dass der Biofilm das Transformationsprodukt Sulfadiazinex acetylieren kann. Sulfadiazinex hat keine antimikrobielle Aktivit\u00e4t, Sulfadiazin hingegen schon. Somit bleibt die spannende Frage offen, warum Sulfadiazin nicht acetyliert wird. <\/p>\n
Es ergab sich bei den Untersuchungen mit dem Bauer-System, dass eine Behandlung des Wassers in handels\u00fcblichen Tr\u00e4nkleitungssystemen unter den verwendeten Bedingungen langfristig keinen reduzierenden Effekt auf den kultivierbaren Keimgehalt im Wasser oder auf die Biofilmbildung hatte. Die Expositionsversuche der verwendeten Indikatoren zeigten weder auf die Membranaktivit\u00e4t noch auf die Aggregationsf\u00e4higkeit der Bakterien Effekte durch die elektromagnetische Behandlung. Auch wenn keine direkte Wirkung auf die verwendeten Keime und gez\u00fcchteten Biofilme in den Modellsystemen gezeigt werden konnte, kann nicht g\u00e4nzlich ausgeschlossen werden, dass Ablagerungen auf Tr\u00e4nkeleitungen in Praxisbetrieben durch das System beeinflusst werden und somit ein indirekter Effekt auf Keimzahlen gegeben sein k\u00f6nnte.
\nFerner konnte anhand der Ergebnisse festgestellt werden, dass das Bauer-Ger\u00e4t mittels elektromagnetischer Felder keine Antibiotika-Reduktion in betriebs\u00fcblichen Tr\u00e4nkeleitungen unter den eingestellten Versuchsbedingungen zeigte. Demnach ist der Einsatz des Bauer-Ger\u00e4ts f\u00fcr die Tr\u00e4nkmedikation mit Sulfonamiden und Trimethoprim unbedenklich. Im Verlauf der Arbeiten ergaben sich verschiedene grundlegende Aspekte, die im Sinne einer Reduzierung der Umweltbelastung weiterverfolgt werden sollten. Dies betrifft beispielsweise die Minimierung der Belastung der direkten Tierumgebung und damit letztlich der Umwelt durch verabreichte Wirkstoffe oder die Interaktion des verwendeten Sulfonamids im Biofilm. <\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
\u00dcber die durchgef\u00fchrten Studien wurden verschiedene Vortr\u00e4ge auf Fachtagungen gehalten. Die Ergebnisse des Projekts sollen in Fachzeitschriften ver\u00f6ffentlicht werden. Entsprechende Manuskripte befinden sich in Vorbereitung; eine Publikation ist bereits erschienen (MATEUS-VARGAS, R.H., KEMPER, N., VOLKMANN, N., KIETZMANN, M., MEISSNER, J., SCHULZ, J. (2019): Low-frequency electromagnetic fields as an alternative to sanitize water of drinking systems in poultry production? PLoS ONE 14: e0220302; doi:10.1371\/journal.pone.0220302). <\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Zusammenfassend bleibt festzustellen, dass f\u00fcr die auf submikronen Partikeln basierenden Testformulierungen kein positiver Effekt im Sinne einer verbesserten Bioverf\u00fcgbarkeit und verringerten Belastung der direkten Tierumgebung erreicht wurde. Auch das gepr\u00fcfte Bauer-System zeigte keinen positiven Effekt im Sinne einer Verminderung der Biofilmentstehung; es hatte aber auch keinen negativen Einfluss auf die Wirkstoffstabilit\u00e4t in medikiertem Tr\u00e4nkwasser.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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