Arzneistoffe dorthin bringen, wo sie wirken sollen. – Was so einfach klingt, stellt die Wissenschaft immer wieder vor Herausforderungen. Andreas Bernkop-Schnürch arbeitet daran, pharmazeutische Formulierungen so zu optimieren, dass sie das Abwehrsystem des Körpers gefahrlos passieren können und dort ankommen, wo sie wirken sollen.
„Wann immer es darum geht, einen Wirkstoff in ausreichender Menge in den Körper zu bekommen, sind wir pharmazeutische Technologen an der Reihe“, erklärt Univ.-Prof. Dr. Andreas Bernkop-Schnürch die Grundlagen seines Forschungsgebietes. „Da das Abwehrsystem des Körpers darauf spezialisiert ist, körperfremde Partikel zu bekämpfen und ihr Eindringen zu verhindern, ist dies allerdings nicht immer ganz einfach.“ Besonderes Augenmerk legen die Wissenschaftler um den pharmazeutischen Technologen derzeit auf sogenannte Biopharmazeutika. Darunter fallen Arzneistoffe, die mit Mitteln der Biotechnologie und gentechnisch veränderten Organismen hergestellt werden, wie zum Beispiel Proteine oder Wirkstoffe auf DNA- oder RNA-Basis. Ziel dieser Wirkstoffe ist es, gezielt in die Vorgänge im Körper einzugreifen.
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„Biopharmazeutika werden immer wichtiger. Der Peptidwirkstoff Insulin und sein Nachfolger GLP 1 Analoga sind prominente Beispiele für diese Wirkstoffart. Aber auch bei anderen Medikamenten wie Impfstoffen, Interferonen, Gerinnungsfaktoren oder weiteren Hormonen spielen Biologics eine immer größere Rolle. – Bei den Wirkstoff-Neuzulassungen liegen Biopharmazeutika bereits vorne“, erläutert Andreas Bernkop-Schnürch die aktuelle Entwicklung auf dem pharmazeutischen Markt. „Ein Nachteil dieser Wirkstoffe ist allerdings, dass sie bislang nur mittels Spritze verabreicht werden können.“ Aus diesem Grund arbeitet er mit seiner Forschungsgruppe an verbesserten Verabreichungsformen: In einem Nanomedizin-Projekt entwickelte Bernkop-Schnürch bereits vor über zehn Jahren die so genannte Thiomer-Technologie, bei der die therapeutische Effizienz von Medikamenten mit Hilfe thiolisierter Makromoleküle erhöht wird. Diese werden dazu eingesetzt, um Medikamente zielgenau in den Körper zu transportieren oder eine optimale Wirkstoffaufnahme zu ermöglichen. „Ein großer Vorteil der Thiomere ist, dass sie mukoadhäsiv sind, also an Schleim haften. Diese Methode haben wir ständig weiter entwickelt und arbeiten auch immer noch daran, sie zu verbessern. In Kürze wird auch das erste Medizinprodukt auf den Markt kommen, das auf dieser Technologie basiert: ein Medikament zur Behandlung des trockenen Auges, das in klinischen Tests hervorragende Ergebnisse erzielt hat.
Nanotechnologie
Daneben verfolgen die Wissenschaftler verschiedene weitere Strategien, um die Bioverfügbarkeit von Wirkstoffen zu verbessern. Ein für die orale Gabe von Biopharmazeutika besonders interessanter Ansatz sind selbstemulgierende Systeme auf fettlöslicher Basis. Dabei lagern die Wissenschaftler den Wirkstoff in eine ölige Lösung ein. Nach der Einnahme bildet diese Öl-Lösung im wässrigen Milieu des menschlichen Dünndarms Öl-Tröpfchen im Nanometer-Bereich, die den Wirkstoff dann durch die Schleimschicht, ein wichtiger Abwehrmechanismus des Körpers, ins Blut bringen. „Die Nano-Tröpfchen werden im Vorfeld auch mithilfe der Thiomer-Technologie mit zusätzlichen Eigenschaften versehen, die sie zum Beispiel gegen Verdauungsenzyme schützen.“ Was relativ einfach klingt, ist in der Umsetzung nicht ganz so leicht, denn die meisten Biopharmazeutika sind nicht öllöslich (lipophil) sondern wasserlöslich (hydrophil). Bei ihrer Arbeit können die Wissenschaftler auf jahrelange Erfahrungen im Bereich der Forschung an festen Nanopartikeln aufbauen. „Weltweit wurde jahrelang an festen Nanopartikeln gearbeitet. Diese sind aber nicht nur in der Herstellung kompliziert, sondern auch in der Handhabung schwer in den Griff zu bekommen“, erklärt Andreas Bernkop-Schnürch. „Bei unserer neuen Methode profitieren wir aber sehr von diesem Wissen, das sich einfach auf die neue Technologie übertragen lässt.“ Im Vergleich zu festen Nanopartikeln sind ölige Lösungen sehr leicht herstellbar. Diese Lösung kann dann in Weichgelatinekapseln verabreicht werden und bildet so ein eigenes System. Bernkop-Schnürch ist davon überzeugt, dass diese Verabreichungsform funktioniert und in Kürze oral verfügbare Peptidproteinwirkstoffe zum Beispiel GLP1 für die Behandlung von Diabetes bei Patienten zum Einsatz kommen werden. „Wir wissen, dass es funktioniert aber bis zum fertigen, am Markt erhältlichen Medikament sind noch einige Schritte notwendig, die nicht mehr in unseren Händen liegen“, verweist der Wissenschaftler auf klinische Studien und Zulassungsverfahren, die im Pharmabereich sehr langwierig sein können.
Ladungsprobleme umgehen
Die Bemühungen, dieses Carrier-System zu verbessern gehen aber auch an der Universität weiter: Um selbstemulgierende Systeme auch bei der Behandlung von Krebserkrankungen zum Einsatz bringen zu können, forscht die Arbeitsgruppe um Bernkop-Schnürch derzeit an der Umgehung des sogenannten ‚polycation dilemma‘. „Körper-Zellen und vor allem auch Krebszellen weisen eine negative Oberflächenladung auf. Die medizinischen Wirkstoffe sollen an die Krebszelle binden, um optimal zu wirken – sie müssen also positiv geladen sein“, erklärt Andreas Bernkop-Schnürch. „Das Dilemma dabei ist jedoch, dass das menschliche Abwehrsystem positiv geladene Partikel als körperfremd identifiziert und mit einer anionischen Hülle umschließt, sie also im wahrsten Sinn des Wortes neutralisiert, bevor sie an ihrem eigentlichen Ziel – der Krebszelle – ankommen.“ Um dieses Problem zu umgehen, haben die Wissenschaftler um Bernkop-Schnürch Zeta-Potential-wechselnde Öl-Tröpfchen entwickelt. Bei diesem System wird das Carrier-System mit einer negativ geladenen Hülle umschlossen, um sie gefahrlos durch das Abwehrsystem des Körpers zu bringen. Diese negativ geladene Hülle soll aber – sobald sie die Krebszelle erreicht – zu einer positiven Ladung wechseln. „Ohne diesen Ladungswechsel würde es uns nicht einmal gelingen, unsere trojanischen Pferde – die Öl-Tröpfchen, die den Wirkstoff transportieren – vor die Mauern zu bringen. Durch den Wechsel ihrer Oberflächenladung können wir sie allerdings in Stellung bringen“, verdeutlicht Bernkop-Schnürch. Um diesen Ladungswechsel zu erzeugen, bedienen sich die Wissenschaftler eines Enzyms, das an der Zelloberfläche von Krebszellen vorkommt: die alkalische Phosphatase. „Wir umhüllen unser Carrier-System, das eigentlich eine positive Ladung aufweist, mit Phosphatresten, die diese mehr als überkompensieren und so eine negative Ladung erzeugen. Wenn das so vor dem Abwehrsystem geschützte Nano-Öl-Tröpfchen dann auf sein Ziel, die Krebszelle, trifft, spaltet die alkalische Phosphatase die Phosphatreste ab, eine positive Oberflächenladung entsteht und der Wirkstoff kommt an sein Ziel“, erklärt Andreas Bernkop-Schnürch. „Wirkstoffe könnten also sehr zielgerichtet und deshalb auch viel höher dosiert eingesetzt werden.“ Was so einfach klingt basiert allerdings auf komplizierten Abläufen und erfordert noch einiges an Entwicklungsarbeit. Wenn dieses System, an dem neben Andreas Bernkop-Schnürch mittlerweile auch zahlreiche andere Forschungsgruppen arbeiten, aber so optimiert werden kann, dass es zuverlässig funktioniert, ergibt sich daraus enormes Potenzial für die Therapie von Krebserkrankungen.
*Source: Universität Innsbruck