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Foto: © Fraunhofer IZI

12 Millionen Deutsche leiden an Parodontitis. Wird die Entzündung nicht behandelt, droht Zahnverlust. Mit einer neuen Diagnostikplattform lassen sich die Krankheitserreger schnell nachweisen. Zahnärzte können eine optimale Therapie rasch einleiten.

Wenn beim Zähneputzen oder beim Biss in einen Apfel das Zahnfleisch blutet, könnte dies auf eine Parodontitis hindeuten – eine entzündliche Erkrankung des Zahnhalteapparats. Bakterielle Plaque greift den Knochen an, der Zahn kann sich mit der Zeit lockern und im schlimmsten Fall sogar ausfallen, weil er kein Fundament mehr hat. Die Parodontitis ist aber auch ein Krankheitsherd für den gesamten Körper: Gelangen die zum Teil sehr aggressiven Bakterien in den Blutkreislauf, können sie weitere Schäden anrichten. Mediziner vermuten einen Zusammenhang zwischen Parodontitis-Erregern und Herz-Kreislaufschädigungen, die Herz- oder Schlaganfälle auslösen könnten. Um den Entzündungsherd zu stoppen, entfernen Zahnärzte Zahnstein und Beläge von den Zahnoberflächen. Doch diese Maßnahme reicht oftmals nicht aus, besonders aggressive Keime lassen sich nur durch Antibiotika beseitigen.

Von den geschätzten 700 Bakterienspezies in der Mundhöhle sind nur elf als besonders parodontalpathogen bekannt, einige davon gelten als sehr stark krankheitserregend. Kommen diese Markerkeime in den Zahntaschen von Patienten vor, ist das Risiko einer schweren Form der Parodontitis hoch. Aufschluss hierüber kann jedoch nur ein Bakterientest geben. Das Problem: Bisherige Methoden zum Bestimmen der Erreger sind zeitaufwändig und nur in einem Auftragslabor möglich. Ein hoher apparativer Aufwand ist erforderlich. Der klassische Nachweis der Keime über ein Kulturverfahren birgt das Risiko, dass Keime absterben, sobald sie mit Sauerstoff in Verbindung kommen.

Keim-Nachweis in weniger als 30 Minuten

Eine neue mobile Diagnostikplattform soll den Nachweis der elf relevantesten Parodontitis-Erreger deutlich beschleunigen: Mit »ParoChip« haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI in Leipzig in Zusammenarbeit mit der BECIT GmbH und der Firma ERT-Optik ein Lab-on-a-Chip-Modul entwickelt, mit dem Zahnärzte und medizinische Labore künftig Proben schnell aufbereiten und die Keime anschließend analysieren können. Sämtliche Arbeitsschritte – Vervielfältigung der DNA-Sequenzen und deren Detektion – laufen direkt auf der Plattform ab, die aus einer scheibenförmigen mikrofluidischen Karte besteht. Sie hat einen Durchmesser von etwa sechs Zentimetern. »Bislang dauert eine Analyse rund vier bis sechs Stunden. Mit ParoChip benötigt man weniger als 30 Minuten. Dadurch lassen sich in kurzer Zeit sehr viele Proben untersuchen«, sagt Dr. Dirk Kuhlmeier, Wissenschaftler am IZI.

Die Analyse erfolgt berührungsfrei und vollautomatisch: Nach der Probenentnahme mit sterilen, zahnstocherförmigen Papierspitzen werden die Bakterien von der Spitze gelöst und deren isolierte DNA in Reaktionskammern mit getrockneten Reagenzien injiziert. Auf jeder Karte befinden sich elf solcher Kammern – jeweils eine Kammer enthält das Reagenz für jeweils einen der elf parodontalpathogenen Erreger. In einer weiteren Kammer wird die Bestimmung der Gesamtkeimzahl realisiert. Dort erfolgt die Polymerase-Kettenreaktion (PCR), eine Methode, um selbst geringste DNA-Sequenzen von Pathogenen millionenfach zu kopieren. Um die extrem schnellen Temperaturwechsel zu ermöglichen, die für die PCR erforderlich sind, wird der scheibenförmige Kunststoff-Chip auf einen Metallheizblock mit drei Temperaturbereichen gesteckt und mechanisch über diese Bereiche gedreht. Dabei entsteht ein Fluoreszenzsignal, das von einem angeschlossenen optischen Messgerät mit Fluoreszenzmesskopf, Photodetektor und Laserdiode vermessen wird. Der Clou: Mithilfe des Signals lässt sich nicht nur die Quantifizierung jeder Keimart und somit die Schwere der Entzündung feststellen, sondern auch die Gesamtanzahl aller Keime. Der Arzt kann die antibiotische Behandlung entsprechend darauf abstimmen.

»Da wir mit dem angeschlossenen optischen Messsystem Bakterien quantifizieren können, eignet sich ParoChip auch für den Nachweis von anderen Infektionserregern wie Sepsis- oder Lebensmittelkeimen«, so Kuhlmeier. »Mit ParoChip entfallen viele manuelle Schritte, die bisher für Bakterientests erforderlich waren. Die Kunststoffscheiben lassen sich kostengünstig fertigen, nach dem Gebrauch kann man sie wie Einmalhandschuhe entsorgen«, betont der Forscher weitere Vorzüge der kleinen Diagnostikplattform, die bereits als Prototyp vorliegt. Sie soll zunächst in klinischen Laboren eingesetzt werden, realisierbar ist aber auch die Vor-Ort-Analyse der Patientenproben in Zahnarztpraxen.

Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft