Neue antimikrobielle Verbindungen bieten eine sicherere Lösung für Rindermastitis

Die Milchindustrie wird seit Jahrzehnten von einem anhaltenden globalen Problem geplagt – einer bakteriellen Infektion der Kuheuter, die die Milchproduktion erheblich verringert.

Es wird geschätzt, dass die Krankheit, die als Rindermastitis bekannt ist, weltweite jährliche Verluste in Höhe von 22 Milliarden US-Dollar (28 Milliarden Singapur-Dollar) verursacht. Während zur Behandlung der Infektion bei Milchkühen Antibiotika eingesetzt wurden, gibt es Probleme wie eine zunehmende Antibiotikaresistenz und Bedenken hinsichtlich einer Milchkontamination durch Antibiotikarückstände.

Jetzt hat ein Team internationaler Forscher Alternativen zu Antibiotika entwickelt, die Infektionen durch einen neuartigen Mechanismus verhindern, den sie entdeckt haben.

Die Wissenschaftler wurden von der Nanyang Technological University, Singapur (NTU Singapore), in Zusammenarbeit mit der interdisziplinären Forschungsgruppe Antimicrobial Resistance (AMR) der Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), dem Forschungsunternehmen des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Singapur, geleitet. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.

In einem vorläufigen landwirtschaftlichen Versuch wurden die neuen antimikrobiellen Verbindungen auf die Zitzen von Kühen aufgetragen und zeigten, dass sie Euterinfektionen abwehren, nachdem die Tiere Bakterien ausgesetzt waren.

Unsere Studie hat eine alternative Klasse wirksamer antimikrobieller Verbindungen enthüllt, die in der Landwirtschaft zur Bekämpfung multiresistenter Bakterien eingesetzt werden könnten, die Rindermastitis verursachen. Die Verbindungen sind auch vielversprechend, da sie in unseren Tests keine nennenswerten Nebenwirkungen bei Rindern verursachten. Sie haben die Kuhmilch nicht verdorben und sie auch nicht für den Verzehr unsicher gemacht.“

Professor Mary Chan, eine der Co-Leiterinnen der Forschung an der School of Chemistry, Chemical Engineering and Biotechnology der NTU Singapore und der Lee Kong Chian School of Medicine sowie leitende Forscherin bei SMART AMR

Die neuen Verbindungen haben seitdem das Interesse mehrerer Agrarunternehmen in Australien, Belgien, Malaysia und Neuseeland geweckt. Die Unternehmen sind sehr daran interessiert, nach Ersatzstoffen zu suchen, die sicherer und umweltfreundlicher als bestehende Verbindungen sind, um die Infektion von Kuhzitzen zu verhindern.

Professor Paula Hammond, Institutsprofessorin und Executive Vice Provost am MIT und Principal Investigator bei SMART AMR, die eine der Co-Autoren der Forschung ist, sagte: „Angesichts des Erfolgs unserer ersten Studie sowohl im Labor als auch im Feld planen wir nun, eng mit Industriepartnern zusammenzuarbeiten, um sie auszuweiten und größere Versuche an Milchvieh durchzuführen, mit dem Ziel, die neuartigen antimikrobiellen Verbindungen zu kommerzialisieren.“

Professor Kevin Pethe, der andere Co-Leiter der Studie von der Lee Kong Chian School of Medicine der NTU und Hauptforscher bei SMART AMR, stellte fest, dass die neuen Verbindungen auch bei der Abtötung multiresistenter Bakterien bei Mäusen in Dosen sehr wirksam sind, die für die Nagetiere in der Studie des Teams nicht merklich schädlich waren. „Dies eröffnet den Weg für die Weiterentwicklung und Optimierung der Verbindungen für andere therapeutische Anwendungen im biomedizinischen Bereich in der Zukunft“, sagte er.

Euterprobleme

Bei einer Infektion der Euter von Rindern gelangen die zur Behandlung eingesetzten Antibiotika oft für einige Zeit in hohen Konzentrationen in die Milch, sodass die Milch nach den geltenden Vorschriften weder verzehrt noch verkauft werden darf. Es sind auch Bakterien aufgetaucht, die gegen solche Antibiotika-Behandlungen resistent sind.

Um einer Infektion der Zitzen von Kühen vorzubeugen, tauchen Landwirte die Euter üblicherweise in eine antiseptische Lösung, beispielsweise eine Lösung, die Jod oder Chlorhexidin enthält, um darauf befindliche Bakterien abzutöten. Bei längerer Anwendung der Desinfektionsmittel kann es jedoch zu Reizungen der Euter oder zu Rissen in der Haut kommen, was das Infektionsrisiko erhöht.

Es bestehen auch Bedenken, dass Jod und Chlorhexidin nach der Reinigung der Euter von den Antiseptika in die Umwelt gelangen und Probleme wie eine Störung des Nährstoffgleichgewichts in der Natur bzw. eine Schädigung des Wasserlebens verursachen könnten. Und wenn die Chemikalien mit der Milch in Kontakt kommen, beispielsweise wenn die Euter nicht richtig gereinigt werden, werden sie weniger wirksam bei der Abtötung von Bakterien.

Die von der NTU geleiteten Wissenschaftler erkannten, dass diese Herausforderungen im Milchgeschäft mit neuartigen Verbindungen namens „Oligoimidazoliumcarbonsäuren“ (OIMs) angegangen werden könnten, die sie ursprünglich als Alternativen zur Bekämpfung antibiotikaresistenter Bakterien entwickelt hatten.

Sie fanden heraus, dass OIMs Bakterien auf eine neue Art und Weise abtöten, im Gegensatz zu herkömmlichen „kationischen“ antimikrobiellen Mitteln, die derzeit als Antibiotika-Ersatz untersucht werden. Teile der OIMs wandeln sich in Carbene genannte Strukturen um, wodurch sie schnell an den Schutzmembranen der Bakterien vorbeischlüpfen, deren DNA schädigen und sie abtöten können. Diese Abtötungsmethode ist wirksamer als bei typischen kationischen antimikrobiellen Mitteln. Daher sind niedrigere OIM-Dosen erforderlich, was das Risiko von Nebenwirkungen verringert.

Kommerzielles Potenzial

Das Forschungsteam testete in einem vorläufigen landwirtschaftlichen Versuch unter der Leitung von SMART AMR, ob OIMs als antiseptisches Dip zur Vorbeugung von Rindermastitis eingesetzt werden können. Kühe, deren Zitzen in die Verbindungen getaucht wurden, entwickelten im Laufe der Zeit keine Euterinfektion, nachdem sie Bakterien ausgesetzt waren.

Die OIMs führten auch nicht zu einer Reizung der Euter der Kühe und verursachten bei den Tieren auch kein ungewöhnliches Verhalten – zum Beispiel waren sie nicht unruhig und traten nicht, was Anzeichen von Juckreiz und Reizung sind. Die Verbindungen ließen sich leicht abwaschen, da nach der Reinigung der Zitzen keine Spuren davon auf den Eutern oder in der Kuhmilch festgestellt wurden.

Sie haben auch einen nachhaltigen Vorteil. „Die OIMs sind biologisch abbaubar und zerfallen in natürliche Moleküle, die weder giftig noch umweltschädlich sind. Daher gehen wir davon aus, dass sie umweltfreundlicher sind als die Verwendung von Jod oder Chlorhexidin“, erklärte Dr. Kaixi Zhang, Forschungswissenschaftler bei SMART AMR und Mitautor der Studie.

Tests haben gezeigt, dass die OIMs auch keinen Einfluss auf die Qualität der Milch haben. Darüber hinaus wurde die Fähigkeit des OIM, Bakterien abzutöten, im Gegensatz zu Jod und Chlorhexidin durch Milch nicht beeinträchtigt.

Künftig vermarkten die Wissenschaftler die OIMs über ein Spin-off-Unternehmen, und in Malakka, Malaysia, wurde ein großer landwirtschaftlicher Versuch gestartet, um die antimikrobiellen Verbindungen zu optimieren. Mehrere Agrarunternehmen in Australien, Belgien, Malaysia und Neuseeland haben Interesse bekundet, die kommerzielle Nutzung der antimikrobiellen Verbindungen zur Vorbeugung und möglicherweise Behandlung von Rindermastitis bei Milchkühen zu untersuchen.

Die Milchindustrie ist aktiv auf der Suche nach neuen Verbindungen, die viel weniger toxisch, wirksamer und nachhaltiger sind, um bestehende Produkte auf Jod- und Chlorhexidinbasis zu ersetzen, die seit Jahrzehnten zur Vorbeugung von Rindermastitis eingesetzt werden. In Verbindung mit einer verstärkten Prüfung des Milchgeschäfts nach zunehmenden Vorfällen mit verfälschter Milch haben Unternehmen daher Interesse an den neuen antimikrobiellen Verbindungen der Forscher gezeigt.

Die bei SMART durchgeführte Forschung wird von der National Research Foundation Singapore im Rahmen ihres Programms Campus for Research Excellence and Technological Enterprise (CREATE) unterstützt. Die landwirtschaftliche Versuchsstudie wurde durch einen Zuschuss des SMART Innovation Centre unterstützt, das Forscher dabei unterstützt, ihre Technologien zu kommerzialisieren und sie in erfolgreiche Unternehmungen umzuwandeln.

Quellen: