Einfluss von ionischen Flüssigkeiten in Kombination mit Ciprofloxacin auf die Mutationsrate von Escherichia coli

Hintergrund/Problemstellung: Durch die in den letzten Jahren immer weiter zunehmende Antibiotikaresistenz muss nach Alternativen, zu den derzeit verwendeten Antibiotika, gesucht werden. Antibiotika wie Ciprofloxacin erhöhen die Mutationsrate bei Bakterien, was zur Antibiotikaresistenz beiträgt. Daher würde die Optimierung der Antibiotika im Hinblick auf ihre Auswirkungen auf die Mutationsrate mitwirken, die Entstehung von Antibiotikaresistenzen zu reduzieren. Ein möglicher Lösungsansatz wäre der Einsatz von ionischen Flüssigkeiten (ILs) in Verbindung mit herkömmlichen Antibiotika, welche die potenziellen Probleme dieser verbessern bzw. einen zusätzlichen Wirkmechanismus einbringen könnten. Die Auswirkung solcher sogenannten API-ILs auf die Mutationsrate von Bakterien ist jedoch noch unklar und wird in dieser Arbeit behandelt. Das Ziel ist es, durch den Einsatz von API-ILs die Mutationsrate von Ciprofloxacin beeinflussen zu können. Forschungsfragen: Wo liegt die minimale Hemmkonzentration von verschiedenen Ciprofloxacin-ILs Kombinationen gegenüber Ciprofloxacin? Inwiefern beeinflussen Ciprofloxacin-ILs die Mutationsrate von Escherichia coli? Methodik: Von einem E. coli Stamm MG1655 wurde die minimale Hemmkonzentration gegen das reine Antibiotikum Ciprofloxacin und fünf verschiedenen Kombinationen an Ciprofloxacin mit ILs, welche aus verschiedenen Strukturen bestehen und deren antimikrobielle Aktivitäten von niedrig bis hoch reichen, ermittelt. Ausgehend von dieser wurden Wachstumskurven angefertigt und der Anteil aktiver Zellen bei verschiedenen Konzentrationen analysiert, um die geeignete Konzentration der Substanzen für die Bestimmung der Mutationsrate zu finden. Die Mutationsrate wurde durch Ausplattieren und Auszählen des mit dem Antibiotikum bzw. dem Antibiotikum in Kombination mit den ILs behandelten E. coli auf Nativagar und auf Agarplatten, welche Rifampicin enthalten, durchgeführt. Die Auswertung der Mutationsrate erfolgte mittels FALCOR Onlinerechner. Ergebnisse: Die minimale Hemmkonzentrationen der Kombinationen liegen mit Werten im Bereich von 0,038 µg/ml bis 0,063 µg/ml leicht über jener von Ciprofloxacin, welche 0,016 µg/ml beträgt. Weder bei den durchgeführten Wachstumskurven noch bei der Analyse bezüglich des Anteils der aktiven Zellen zeigt sich eine vollständige Hemmung. Alle Kombinationen weisen eine erhöhte Mutationsrate im Gegensatz zu der Kontrolle ohne Antibiotikum und nach Behandlung mit Ciprofloxacin auf. Schlussfolgerung: Es konnte belegt werden, dass die Mutationsrate bei der Etablierung solcher API-ILs nicht außer Acht gelassen werden sollte. Die Vorstudie zeigt auf, dass durch die Auswahl des Kations der Faktor der Mutationsrate verändert werden kann. Background: Due to the raising number of antibiotic resistance alternative treatments need to be explored. Antibiotics, such as ciprofloxacin, increase the mutation rate in bacteria, which contributes to antibiotic resistance. Therefore, optimising antibiotics in terms of their effects on the mutation rate would help to reduce emergence of antibiotic resistance. A possible solution could be the use of ionic liquids (ILs) in combination with currently used antibiotics. Maybe these combinations could solve the problems or introduce an additional mechanism to the substances. However, the influence from such combinations on the mutation rate from bacteria is still unclear and will be addressed in this study. The goal is, to be able to influence the mutation rate using such ILs in combination with antibiotics. Research questions: What is the minimum inhibitory concentration of different ciprofloxacin-ILs combinations in comparison to ciprofloxacin? How do ciprofloxacin-ILs affect the mutation rate of Escherichia coli? Methods: The minimum inhibitory concentration of ciprofloxacin and five different ciprofloxacin-ILs combinations of different functional structures with a range antimicrobial activity from low to high against the E. coli strain MG1655 were tested. Based on these results growth curves and the proportion of active cells were identified to find the ideal concentration of the substances for the mutation rate analysis. For the mutation rate E. coli which was treated with ciprofloxacin or with the combinations, was plated on plain agar and agar which contained Rifampicin. After incubation the colonies were counted, and the mutation rate calculated. The evaluation of the mutation rate was performed using the FALCOR online calculator. Results: The minimum inhibitory concentration of the five different ciprofloxacin-ILscombinations are between 0,038 µg/ml and 0,063 µg/ml. These numbers are higher than the one from ciprofloxacin, which is 0,016 µg/ml. None of the growth curve shows a full inhibition of E. coli. Also, the results from the proportion of active cells show no full inactivation. All combinations show an increased mutation rate in contrast to the control without antibiotics and after the treatment with ciprofloxacin. Conclusion: It was shown that the mutation rate should not be ignored when establishing such API-ILs. This preliminary study shows that the selection of the cation is an important factor and can influence the mutation rate.