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13.08.08 Hydrogel ermöglicht dosierte Wirkstofffreisetzung über Wochen

Tablette statt Spritze

Mit einem innovativen Depot zur Verabreichung von Medikamenten wollen ETH-Forscher die tägliche Spritze durch eine Pille ersetzen. Ein erster Prototyp dazu wurde bereits in einer Kooperation der Fachbereiche Synthetische Biologie, Materialwissenschaften und Polymerchemie entwickelt.

Peter Rüegg (ETHZ)

Intelligentes Gelkügelchen: Das Material wird unter die Haut oder in den Muskel gespritzt, wo es geliert und sich unter Beigabe eines Antibiotikums kontrolliert auflöst.
Quelle: W. Weber, D-BSSE, ETH

Wer chronisch krank ist, etwa Diabetes oder ein Nierenleiden hat, muss sich täglich Insulin respektive Erythropoietin (EPO) spritzen. Das ist wenig komfortabel und birgt zudem bei jedem Stich ein Infektionsrisiko. Besonders für Kinder ist dies eine grosse Belastung.

Forscher aus verschiedenen Disziplinen haben nun ein neues Verfahren entwickelt, das die tägliche Spritze ersetzen soll. Die Lösung ist eine gelartige Substanz, die sich Patienten als Medikamentendepot nur noch alle 2 bis 4 Wochen spritzen. Danach können die Betroffenen anstatt der täglichen Spritzen eine Tablette einer klinisch zugelassenen Substanz einnehmen, die den Wirkstoff, etwa Insulin, aus diesem Depot gezielt und kontrolliert herauslöst.

Gemisch aus Kunst- und Naturprodukt

Das Gel besteht aus winzigen, dünnen Polymerfäden mit einer Länge von einem zehntausendstel Millimeter, an denen das Protein Gyrase befestigt ist. Die Gyrase stammt aus dem Darmbakterium Escherichia coli. Wird diesem Gemisch das Antibiotikum Coumermycin zugegeben, verbinden sich jeweils zwei Gyrasen. Dadurch entsteht aus den Fäden und den Gyrasen als Klebemittel ein Geflecht, ein so genanntes Hydrogel, das den Wirkstoff einschliesst. Das Gel hat ungefähr die Konsistenz von Pudding. Das Antibiotikum Novobiocin seinerseits löst die Gyrasebindungen und damit das Gel wieder auf. Dadurch wird der eingebettete Wirkstoff frei und kann im Körper seinen Dienst tun.

In einer Zellkultur mit menschlichen Zellen haben die Forscher das Verfahren bereits erfolgreich getestet. So haben sie in das Gel einen Wachstumsfaktor eingebettet, der sich je nach Menge des zugegebenen Novobiocin aus dem Gelklümpchen löste und die Zellen zu verstärktem Wachstum anregte.

Dosis bestimmt Freisetzung

„Über die Dosis des Antibiotikums kann man genau bestimmen, welche Mengen des Medikamentes freigesetzt wird“, betont Wilfried Weber, Gruppenleiter am Department of Biosystems Science and Engineering (D-BSSE) der ETH Zürich in Basel. So könnte ein Diabetiker beispielsweise vor der Mahlzeit eine Pille schlucken, um die benötigte Insulindosis aus dem Medikamentendepot in den Körper freizusetzen.

Novobiocin habe nur sehr wenige Nebenwirkungen, sagt Weber. Weil er aber nicht ausschliessen kann, dass Bakterien dagegen resistent werden, wollen die Wissenschaftler nun weitere Gele entwickeln, die ohne dieses Antibiotikum aufgelöst werden können. Die Polymerfäden dagegen seien harmlos, versichert der Forscher. „Solche Polymere, wie wir sie einsetzen, wurden schon in verschiedenen Tiermodellen und im Menschen erprobt und sie werden über die Niere ausgeschieden.“ Viele therapeutische Proteine wie Interferon alpha oder EPO seien standardmässig an ähnliche Polymere gekoppelt. Dies habe im therapeutischen Einsatz keine Probleme gegeben, sondern eher eine Verbesserung, sagt Weber. Das Polymer schirmt zudem das Protein vor Zugriffen des Immunsystems ab.

Legostein-Ansatz aus der Synthetischen Biologie

Die Bausteine für dieses Gel haben die Wissenschaftler rund um Wilfried Weber mit einem Ansatz aus der Synthetischen Biologie gefunden. Bei dieser Fachrichtung analysieren die Biologen nicht etwa, wie Zellen funktionieren, sondern sie bauen lebende Systeme anhand von genau charakterisierten Systemkomponenten neu zusammen. „Wie bei einer Legobox nehmen wir Bausteine, von denen wir genau wissen, wie sie funktionieren, und bauen biologische Systeme neu zusammen“, so Weber.

Das neuartige Gel ist erst ein Prototyp. Das Patent ist jedoch bereits angemeldet. Die ETH-Forscher wollen den Prototypen nun in den nächsten Monaten, beispielsweise an Diabetes-Ratten, testen. Damit kommt das interdisziplinäre Team aus Biotechnologen, Polymerchemikern und Materialwissenschaftlern mit Unterstützung der Gebert Rüf Stiftung seinem Ziel wieder einen Schritt näher: in wenigen Jahren chronisch kranken Patienten eine alternative zur täglichen Spritze zu ermöglichen..

Quelle:

ETH Life

Drug-sensing hydrogels for the inducible release of biopharmaceuticals
M. Ehrbar, R. Schoenmakers, E. H. Christen, M. Fussenegger, W. Weber, Nature Materials 2008, DOI: 10.1038/nmat2250

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Hydrogel ermöglicht dosierte Wirkstofffreisetzung über Wochen
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2008aug/hydrogel.shtm)

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