Mit Mathematik gegen Bakterien
Wie Modelle helfen, Infektionen durch Urinkatheter zu verhindern
Prof. Dr. Rosalind Allen und Dr. Anne Busch stehen im Labor und halten einen Urinkatheter in den Händen.
Spätestens seit der COVID-19-Pandemie ist die Relevanz von mathematischen Modellen auch außerhalb der Wissenschaft bekannt. Diese Modelle halfen dabei, die Ausbreitung des Virus zu prognostizieren, Impfstrategien zu optimieren und Maßnahmen zur Eindämmung zu bewerten. Doch für solche Modelle gibt es viele weitere Anwendungen. In der modernen Medizin spielen sie eine entscheidende Rolle, um komplexe biologische Prozesse zu verstehen und klinische Entscheidungen zu verbessern. Prof. Dr. Rosalind Allen setzt im Exzellenzcluster »Balance of the Microverse« mathematische und biophysikalische Modelle ein, um bakterielle Infektionen bei Urinkathetern zu untersuchen.
Text: Juliane Seeber
Urinkatheter sind unverzichtbare Hilfsmittel in der medizinischen Versorgung, insbesondere in Krankenhäusern und Pflegeeinrichtungen. Jährlich werden weltweit Millionen solcher Katheter eingesetzt, doch ihre Nutzung birgt auch Risiken. Katheter-assoziierte Harnwegsinfektionen sind eine der häufigsten Krankenhausinfektionen und können schwerwiegende Komplikationen wie Blasen- oder Nierenschäden verursachen. Trotz jahrzehntelanger Forschung sind die Mechanismen, die zur bakteriellen Kolonisation von Kathetern führen, nicht vollständig verstanden – ein Problem, dem Rosalind Allen und ihr interdisziplinäres Team mit einem neuen Ansatz begegnen.
Das Forschungsteam entwickelte ein mathematisches Modell, das die verschiedenen Infektionswege und die Dynamik der bakteriellen Besiedelung abbildet. Dabei werden die Außenseite des Katheters, die Blase, der Urinfluss im Katheter und die Innenseite des Katheters in einem integrativen Modell zusammengeführt. Mit Hilfe von Simulationen konnten die Forschenden Schlüsselfaktoren identifizieren, die das Risiko und den Verlauf von Infektionen beeinflussen.
Das Modell zeigt, dass die Urinproduktionsrate – also die Flüssigkeitsaufnahme der Patientinnen und Patienten – eine zentrale Rolle spielt. Eine höhere Flüssigkeitsaufnahme kann die Bakterien im Urin effektiver ausspülen und so das Risiko einer Infektion verringern. Bei Kurzzeitkathetern hingegen bestimmen die Länge des Katheters und die Geschwindigkeit, mit der sich Bakterien entlang der Katheteroberfläche ausbreiten, das Infektionsrisiko.
Nahaufnahme eines Urinkatheters auf hellblauem Untergrund
Foto: Anna SchrollVon der Forschung in die Klinik
Die Forschung zu Katheterinfektionen ist ein Musterbeispiel für die Anwendung theoretischer Modelle, um praktische Probleme zu lösen. »Unsere Modelle erlauben es uns, die zugrundeliegenden Mechanismen besser zu verstehen und gezielte Präventionsstrategien zu entwickeln«, erklärt Rosalind Allen. Die Forschung zeige, warum antibakterielle Beschichtungen bei Kathetern oft nur bei Kurzzeiteinsätzen wirksam sind und wie Faktoren wie Geschlecht und Flüssigkeitsaufnahme das Infektionsrisiko beeinflussen.
Die Ergebnisse ihrer Forschung haben auch unmittelbare praktische Relevanz. Für Langzeitkatheter könnten gezielte Maßnahmen zur Steigerung der Flüssigkeitszufuhr das Risiko von Infektionen senken. Bei Kurzzeitkathetern könnten wiederum antibakterielle Beschichtungen helfen, die Ausbreitung von Bakterien entlang der Katheteroberfläche zu verlangsamen.
Die Forschung zeigt ebenfalls, wie wichtig personalisierte Strategien sind, um den unterschiedlichen Bedürfnissen und Risiken von Patientinnen und Patienten gerecht zu werden. Die mathematische Modellierung in der Mikrobiologie und der Infektionsmedizin entwickelt sich rasant weiter und macht die Potenziale deutlich, die weit über die traditionelle Pandemiebekämpfung hinausreichen. Die Forschung von Rosalind Allen zeigt, wie Modelle auf komplexe mikrobielle Systeme angewendet werden können, um gezielte Interventionen zu ermöglichen.
Ein Blick in die Zukunft
Im Exzellenzcluster »Balance of the Microverse« arbeitet sie an innovativen Ansätzen, die auch in anderen Studien aufgegriffen werden, beispielsweise daran, die mikrobielle Besiedlung von Gallengangskathetern, zentralen Venenkathetern und Atemschläuchen zu verstehen. In Zusammenarbeit mit anderen Jenaer Forscherinnen und Forschern, unter der Leitung von Dr. Anne Busch, hat die Gruppe außerdem gezeigt, wie Antibiotika gezielt mit Licht aktiviert werden können. Diese Technik könnte dazu beitragen, die bakterielle Besiedlung von Gallengangskathetern zu reduzieren und Resistenzen zu überwinden.
Die Forschung in der Gruppe für theoretische mikrobielle Ökologie zeigt, wie wichtig mathematische Modelle sind – nicht nur, um die Mechanismen von Infektionen besser zu verstehen, sondern auch, um in Zukunft neue, spezielle Behandlungsmethoden zu entwickeln.
Innovation für Medizin und Therapie
Mathematische Modelle, kombiniert mit Experimenten und dem Wissen aus verschiedenen Fachbereichen, eröffnen neue Möglichkeiten, Krankheiten besser zu verhindern und zu behandeln. Forschung an speziellen Antibiotika, die durch Licht aktiviert werden, zeigt zudem Potenzial für ganz neue Behandlungsansätze, nicht nur bei Infektionen, sondern auch in der Krebsmedizin oder bei der Heilung von Gewebe. So können Lösungen geschaffen werden, die auf die Bedürfnisse von Patientinnen und Patienten zugeschnitten sind. Dadurch lassen sich sowohl die Lebensqualität verbessern als auch die medizinische Versorgung effektiver gestalten.
Information
Original-Publikationen:
Different factors control long-term versus short-term outcomes for bacterial colonisation of a urinary catheter, BioRXiv, 2025; https://doi.org/10.1101/2022.10.31.514508Externer Link
The effects of photoactivated ciprofloxacin and bile acids on biofilms on bile duct catheters, International Journal of Antimicrobial Agents, 2024; https://doi.org/10.1016/j.ijantimicag.2024.107086Externer Link
Rosalind Allen, Univ.-Prof. Dr.
Professur für Theoretical Microbial Ecology
Buchaer Straße 6
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