Veränderung der antibiotischen Aktivität durch Wechselwirkung mit Nanokunststoffen

Eine kürzlich in der Fachzeitschrift Scientific Reports veröffentlichte Studie hat ergeben, dass die Adsorption von Antibiotika an Mikroplastik und Nanoplastik (MNPs) schwerwiegende gesundheitliche Folgen hat.

Beim Zerfall von Kunststoffen entstehen Partikel unterschiedlicher Form, Größe und Zusammensetzung. Diese mikroskopisch kleinen Partikel, bekannt als Mikroplastik und Nanoplastik (MNP), sind in der Umwelt vorhanden und können in den menschlichen Körper, einschließlich der Zellen, eindringen.

MNPs können verschiedene Substanzen, darunter auch Medikamentenrückstände, adsorbieren, was zu physiologischen Veränderungen im Körper führt. Besonders besorgniserregend ist die Situation bei Antibiotika, da die Wirkung auf Bakterien zur Resistenzentwicklung beitragen kann. Darüber hinaus bieten MNPs eine Oberfläche für die mikrobielle Besiedlung und wirken als Vektoren für deren Übertragung.

Forscher untersuchten die Wechselwirkung des Antibiotikums Tetracyclin (TC) mit Nanoplastik und deren Auswirkung auf die biologische Aktivität des Antibiotikums.

Für das Experiment wurden vier Kunststoffarten ausgewählt:

• Polystyrol (PS)
• Polyethylen (PE)
• Nylon 6.6 (N66)
• Polypropylen (PP)

Zur Herstellung der TC-NP-Komplexe wurden zwei Ansätze verwendet:

1. Sequential Annealing (SA)-Methode: Der Kunststoff wurde in Gegenwart von TC gebildet, was eine maximale Anpassung der Polymerketten an das Antibiotikamolekül ermöglichte.
2. Freipartikelmethode (FP): Der Kunststoff wurde vorgeformt und das TC wurde in unterschiedlichen Ausrichtungen auf seiner Oberfläche platziert.

Anschließend wurden Simulationen durchgeführt, um die Stabilität der Komplexe sowie ihre Wirkung auf die antibiotische Aktivität in Zellkulturen zu bewerten.

Wichtigste Ergebnisse

1. Komplexbildung:

   • Die SA-Methode zeigte eine höhere Stabilität der Komplexe als die FP-Methode. Tetracyclin wurde häufiger in den Nanoplastiken gefunden.
   • Die polaren Wechselwirkungen zwischen TC und N66 waren stärker als seine Löslichkeit in Wasser, was zu starken Bindungen führte.

2. Molekulardynamik:

   • Die Polymerketten von PS und N66 bewegten sich aufgrund sterischer Bindungen und Wasserstoffbrücken weniger. PP zeigte eine hohe Mobilität, wodurch TC in die Struktur eindringen konnte.
   • In einigen Fällen, wie beispielsweise bei PS, haftete das TC-Molekül nach anfänglicher Ablösung wieder an der Oberfläche.

3. Experimente an Zellkulturen:

   • Das Vorhandensein von Nanoplastik (PS, PE, PET) reduzierte die Aktivität von TC signifikant, was durch eine Abnahme des Expressionsniveaus von fluoreszierendem Protein in Zellen bestätigt wurde.

4. Mögliche Risiken:
   Nanoplastik verändert die Aufnahme von Antibiotika, transportiert sie an neue Stellen und erhöht die lokale Konzentration, was zur Entwicklung bakterieller Resistenzen beitragen kann.

Schlussfolgerungen

Die Ergebnisse der Studie bestätigen, dass die Wechselwirkung von Nanoplastik mit Antibiotika einen erheblichen Einfluss auf deren biologische Aktivität hat:

• Absorptionsprobleme: Nanoplastik kann die Pharmakokinetik von Arzneimitteln verändern.
• Stimulierung von Resistenzen: Lokale Konzentrationserhöhungen eines Antibiotikums in der Bakterienumgebung können die Entwicklung von Resistenzen fördern.

Diese Studie unterstreicht die Notwendigkeit weiterer Forschungen zu den Auswirkungen von MNPs auf die menschliche Gesundheit und der Entwicklung von Maßnahmen zur Verringerung ihrer Auswirkungen.