26.10.10 Einfache Herstellung von Proteinmikropartikel mit Calciumcarbonat in wässriger Lösung

Alle gleich groß

Aufbau einheitlicher reiner Insulin-Mikropartikel an Calciumcarbonat-Templaten

Abb. 1: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines Insulin-Mikropartikels
Quelle: Angewandte Chemie - mit freundlicher Genehmigung

„Proteine sind eine interessante Arzneimittelklasse, denn sie zeigen eine hohe biologische Aktivität und wirken sehr spezifisch. Inzwischen lassen sich immer mehr Proteine mit maßgeschneiderter pharmakologischer Wirkung herstellen. Eine Herausforderung ist allerdings der Transport und die kontrollierte Freisetzung der Proteinwirkstoffe im Organismus. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen Helmuth Möhwald vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm/Potsdam sowie Dmitry V. Volodkin und Regine von Klitzing von der TU Berlin jetzt eine Alternative zu den üblicherweise verwendeten „Transportmitteln“, wie Liposomen, vor: Mit einem einfachen, kostengünstigen, schonenden Verfahren konnten sie einheitlich große, reine Protein-Mikrokugeln herstellen.

Nano- und Mikro-Transportsysteme mit Proteinen zu beladen, ist eine Hauptstrategie, um die Wirkstoffe zielgerichtet an ihren Wirkort zu bringen und um eine verlängerte Wirksamkeit zu erzielen. Die Herausforderung dabei ist, Partikel mit einer exakt definierten Proteinmenge, Größe, Morphologie, Zusammensetzung und Dichte herzustellen. Denn diese Charakteristika sind entscheidend, um eine hohe Bioverfügbarkeit und eine definierte Freisetzungsrate auf der gewünschten Darreichungsroute zu erreichen. Leider lassen sie sich nur schwer kontrollieren, wenn konventionelle Methoden zur Herstellung von Proteinpartikeln, wie Kristallisation, Sprühtrocknen und Einbau in Liposomen oder polymere Matrices, verwendet werden. Ein weiterer Nachteil ist, dass diese Verfahren meist organische Lösungsmittel, hohe Temperaturen oder andere Bedingungen benötigen, die die Stabilität der Proteine beeinträchtigen können.

Abb. 2: Monodisperse Proteinkügelchen lassen sich an porösen CaCO₃-Mikrotemplaten aufbauen (siehe Bild; CaCO₃ grau, Insulin orange). Beim Wechsel von pH 9.0 zu pH 5.0 scheidet sich das Insulin-Modellprotein ab und die CaCO₃-Template zerfallen. Die Methode kommt ohne Additive aus und benötigt milde Bedingungen sowie minimale Verarbeitungsschritte.
Quelle: Angewandte Chemie

Gesucht war eine Methode, die ohne Zugabe von störenden Zusätzen und bei milden Bedingungen einheitlich große Proteinpartikel liefert. Eine solche Methode, die zudem sehr einfach und kostengünstig ist, hat das Forscherteam nun entwickelt und erfolgreich an Insulin getestet, einem Klassiker unter den therapeutischen Proteinen. Erfolgsgeheimnis sind poröse Calciumcarbonat-Mikrokügelchen definierter Größe und ein Wechsel des pH-Werts. Im leicht alkalischen wässrigen Milieu (hoher pH-Wert) ist das Insulin-Protein löslich. Werden die Calciumcarbonat-Kügelchen in eine solche Proteinlösung gegeben, füllen sich ihre Poren mit der Insulinlösung. Wird die Lösung nun durch Säure neutralisiert, ist das Insulin nicht mehr löslich und flockt in den Poren aus. Nun wird weiter angesäuert, bis sich im leicht sauren Milieu die Calciumcarbonat-Kügelchen nach und nach auflösen. Das Insulin aus den Poren bleibt als lockere Matrix übrig und schrumpft zu einem kompakten mikrometergroßen Kügelchen zusammen. So entstehen reine Proteinpartikel von einheitlicher Größe und hoher Proteindichte.

Quelle:

Pure Protein Microspheres by Calcium Carbonate Templating
D. V. Volodkin, et. al., Angew. Chem. 2010. DOI: 10.1002/ange.201005089

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Einfache Herstellung von Proteinmikropartikel mit Calciumcarbonat in wässriger Lösung
(URL: https://www.organische-chemie.ch/chemie/2010/okt/insulin-mikropartikel.shtm)

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