DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien, grafische Erarbeitung: walbert visuelle Kommunikation
Neue Töne: Arzneimittel mit Ultraschall aktivieren
Sie eröffnen neue Möglichkeiten für eine präzise, kontrollierbare und nebenwirkungsarme Arzneimitteltherapie: Forschende um Andreas Herrmann und Freigeist-Fellow Robert Göstl vom DWI in Aachen präsentieren ein völlig neues System, um Wirkstoffe "anzuschalten".
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien haben im Fachjournal Nature Chemistry eine neue, unter anderem bereits an herkömmlichen Antibiotika und einem Krebstherapeutikum erprobte Methode vorgestellt, um Wirkstoffe mittels Ultraschallwellen zu aktivieren. Die Wirkstoffe sind zunächst in sogenannten Träger-Molekülen eingeschlossen. Durch die Ultraschallwellen und die damit einhergehenden mechanischen Kräfte lassen sich chemische Bindungen der Träger-Moleküle aufbrechen, wodurch die Wirkstoffe "angeschaltet" werden. Das Team stellt drei neuartige Ansätze vor, die sich in der Art und dem Aufbau der Trägerelemente sowie deren Bindungsstärken und -eigenschaften unterscheiden: Einen chemischen, einen bio-anorganischen und einen biochemischen Ansatz. So lassen sich kovalente und nicht-kovalente Bindungen der Träger-Moleküle gezielt und nach Bedarf aufbrechen sowie die Freisetzung der Wirkstoffe zeitlich kontrollieren und dosieren.
Hat die Probe die gewünschte Qualität? Freigeist-Fellow Dr. Robert Göstl (links) und Prof. Andreas Herrmann betrachten hier eine gereinigte Probe und entscheiden, wie es mit den Experimenten weitergeht.
Möglich wurde das Vorhaben durch die Zusammenarbeit von Prof. Dr. Andreas Herrmann, stellvertretender Wissenschaftlicher Direktor des DWI und Dr. Robert Göstl, Leiter einer im Rahmen eines Freigeist-Fellowships der VolkswagenStiftung geförderten unabhängigen Forschungsgruppe am DWI. Herrmann untersucht unter anderem alternative Freisetzungssysteme von Wirkstoffen, Göstl forscht im Feld der Mechanochemie.
Zu viel und nicht direkt am richtigen Ort: Schwächen bisheriger medikamentöser Therapien
Die Behandlung von Patientinnen und Patienten mit Hilfe von Arzneimitteln ist eine der wichtigsten und häufig genutzten medizinischen Therapien, die uns derzeit zur Verfügung stehen. Die systemische Anwendung von Medikamenten ist jedoch ein Kompromiss zwischen erwünschter Behandlung und Nebenwirkungen. Die damit verbundenen Nachteile müssen derzeit aufgrund des vorherrschenden Mangels an Medikamentenselektivität, also der Fähigkeit der Wirkstoffe an einem spezifischen Ort im Körper nur die gewünschte Wirkung zu erbringen, in Kauf genommen werden. Hiervon betroffen sind, neben Antibiotika, insbesondere Medikamente gegen Krebs. Deren größtenteils aggressive Wirkung ist zwar für das Tumorgewebe bestimmt, aber aufgrund der nicht vollständig kontrollierbaren Selektivität und örtlichen Dosierung können die Wirkstoffe auch gesunde Zellen und Gewebe schädigen. Die Ausmaße dieser Schäden können bis hin zur Abtötung von Zellen und Geweben führen.
Neben teils starken Nebenwirkungen führt die systemische Nutzung bzw. der übermäßige Einsatz von Antibiotika unweigerlich zur Entstehung von antimikrobiellen Resistenzen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler warnen davor, dass durch multiresistente Erreger bereits bis zum Jahr 2050 die Leben von Millionen von Menschen in Gefahr geraten könnten. Deshalb ist es umso entscheidender, dass die Art der Behandlung so präzise und kontrollierbar wie möglich gestaltet wird, um eine Verabreichung der Wirkstoffe "am Ort des Geschehens" im Körper zu erzielen.
Sonopharmakologie – ein Baukastenprinzip für verschiedene Fragestellungen
Mit dem hier vorgestellten beispiellosen Ansatz hat das Team eine Blaupause für die Pharmakotherapie konzipiert: Systemische Nebenwirkungen könnten sich vermeiden lassen. Darüber hinaus lassen sich Therapien auf medizinische Anforderungen und klinisch etablierte Techniken der Arzneimittelfreisetzung mit räumlich-zeitlicher Auflösung abstimmen. Daher könnten diese Ansätze den Ausgangspunkt für ein neues Forschungsgebiet der sogenannten "Sonopharmakologie" bilden. Dies wäre eine Analogie zum Feld der Photopharmakologie, das vor kurzem etabliert wurde. Hierbei handelt es sich um einen Weg der lichtvermittelten Wirkstofffreisetzung.
Neben Optimierungsarbeiten und Anpassungen der Systeme haben die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen bereits begonnen, weitere Felder zu erschließen: "Wir arbeiten auch daran, auf Basis unserer bisherigen Untersuchungen ein Baukastenprinzip zu entwickeln. Unser Ziel ist es, dass es jedem möglich sein soll, die Träger-Moleküle für weitere Arzneimittel, wie beispielsweise zur Blutgerinnung, selbst zu designen" so Dr. Robert Göstl, welcher die wissenschaftliche Arbeit maßgeblich mitgestaltet hat. Die VolkswagenStiftung fördert Göstl im Rahmen eines Freigeist-Fellowships zum Thema Biomimetic Chemical Systems under Mechanical Stress - from the Functional Molecule to the Living Cell.
