Hydrogele erweisen sich als vielversprechende neue Möglichkeit, Medikamente effizienter zu verabreichen

Viele der vielversprechendsten neuen Arzneimittel, die auf dem Weg der Arzneimittelentwicklung auf den Markt kommen, sind von Natur aus hydrophob, das heißt, sie stoßen Wasser ab und lassen sich daher nur schwer auflösen, um sie dem Körper verfügbar zu machen. Doch nun haben Forscher am MIT einen effizienteren Weg zur Verarbeitung und Abgabe dieser Medikamente gefunden, der sie weitaus wirksamer machen könnte.

Die neue Methode, bei der die Medikamente zunächst in flüssiger Lösung und nicht in fester Form verarbeitet werden, ist in einer Zeitung berichtet im Tagebuch Fortschrittliche Materialien für das Gesundheitswesengeschrieben vom MIT-Doktoranden Lucas Attia, dem frischgebackenen Doktoranden Liang-Hsun Chen und dem Professor für Chemieingenieurwesen Patrick Doyle.

Derzeit erfolgt die Verarbeitung vieler Medikamente über eine lange Reihe aufeinanderfolgender Schritte, erklärt Doyle. „Wir glauben, dass wir den Prozess rationalisieren, aber auch bessere Produkte erhalten können, indem wir diese Schritte kombinieren und unser Verständnis von weichen Materie- und Selbstorganisationsprozessen nutzen“, sagt er.

Attia fügt hinzu, dass „viele niedermolekulare Wirkstoffe hydrophob sind, sich also nicht gerne in Wasser aufhalten und sich in Wasser nur sehr schlecht auflösen, was zu ihrer schlechten Bioverfügbarkeit führt.“ Die orale Verabreichung solcher Medikamente, die Patienten gegenüber Injektionen bevorzugen, stellt eine echte Herausforderung dar, wenn es darum geht, das Material in den Blutkreislauf des Patienten zu bringen. Bis zu 90 % der von Pharmaunternehmen entwickelten Arzneimittelmolekülkandidaten seien tatsächlich hydrophob, sagt er, „das ist also für eine große Klasse potenzieller Arzneimittelmoleküle relevant.“

Ein weiterer Vorteil des neuen Verfahrens sei, dass es dadurch einfacher werden solle, mehrere verschiedene Medikamente in einer einzigen Pille zu kombinieren. „Bei verschiedenen Arten von Krankheiten, bei denen man mehrere Medikamente gleichzeitig einnimmt, kann diese Art von Produkt sehr wichtig sein, um die Compliance der Patienten zu verbessern“, fügt er hinzu – nur die Einnahme einer Pille statt einer Handvoll macht die Wahrscheinlichkeit viel wahrscheinlicher dass die Patienten mit ihren Medikamenten Schritt halten. „Das ist tatsächlich ein großes Problem bei diesen chronischen Krankheiten, bei denen die Patienten eine sehr schwierige Pilleneinnahme vornehmen müssen. Daher haben sich Kombinationsprodukte als sehr hilfreich erwiesen.“

Ein Schlüssel zum neuen Verfahren ist die Verwendung eines Hydrogels – einer Art schwammartiges Gelmaterial, das Wasser zurückhalten und Moleküle an Ort und Stelle halten kann. Gegenwärtige Verfahren zur Erhöhung der Bioverfügbarkeit hydrophober Materialien umfassen das mechanische Zerkleinern der Kristalle auf eine kleinere Größe, wodurch sie sich leichter auflösen. Dieses Verfahren erhöht jedoch den Zeit- und Kostenaufwand für den Herstellungsprozess und bietet wenig Kontrolle über die Größenverteilung der Partikel tatsächlich einige empfindlichere Arzneimittelmoleküle beschädigen.

Stattdessen beinhaltet das neue Verfahren das Auflösen des Arzneimittels in einer Trägerlösung und die anschließende Erzeugung winziger Nanotröpfchen dieses Trägers, die in einer Polymerlösung verteilt sind – einem Material, das Nanoemulsion genannt wird. Anschließend wird diese Nanoemulsion durch eine Spritze gepresst und zu einem Hydrogel geliert. Das Hydrogel hält die Tröpfchen an Ort und Stelle, während der Träger verdampft und Wirkstoff-Nanokristalle zurückbleiben. Dieser Ansatz ermöglicht eine präzise Kontrolle der endgültigen Kristallgröße.

Indem das Hydrogel die Tröpfchen beim Trocknen an Ort und Stelle hält, verhindert es, dass sie einfach zu klumpigen Agglomerationen unterschiedlicher Größe zusammenwachsen. Ohne das Hydrogel würden die Tröpfchen zufällig verschmelzen und „es würde ein Durcheinander entstehen“, sagt Doyle. Stattdessen hinterlässt das neue Verfahren eine Charge perfekt einheitlicher Nanopartikel. „Das ist eine sehr einzigartige, neuartige Methode, die unsere Gruppe erfunden hat, um diese Art der Kristallisation durchzuführen und die Nanogröße beizubehalten“, sagt er.

Das neue Verfahren ergibt ein zweiteiliges Paket: einen Kern, der die aktiven Moleküle enthält, umgeben von einer Hülle, ebenfalls aus Hydrogel, die den Zeitpunkt zwischen der Einnahme der Pille und der Freisetzung ihres Inhalts in den Körper steuern kann.

„Wir haben gezeigt, dass wir die Wirkstofffreisetzung sowohl hinsichtlich der Verzögerung als auch der Geschwindigkeit sehr präzise steuern können“, sagt Doyle, Robert T. Haslam-Professor für Chemieingenieurwesen und Forschungsprofessor in Singapur. Wenn ein Medikament beispielsweise auf Krankheiten im unteren Darm oder Dickdarm abzielt, „können wir steuern, wie lange es dauert, bis die Freisetzung des Medikaments beginnt, und dann erreichen wir auch eine sehr schnelle Freisetzung, sobald sie beginnt.“ Er sagt, dass Medikamente, die auf herkömmliche Weise mit mechanischem Nanomahlen formuliert würden, „eine langsame Wirkstofffreisetzung hätten“.

Dieses Verfahren, sagt Attia, „ist der erste Ansatz, der in einem einzigen Verarbeitungsschritt Kern-Schale-Verbundpartikel bilden und Arzneimittel in unterschiedlichen Polymerschichten strukturieren kann.“

Die nächsten Schritte bei der Entwicklung des Prozesses werden darin bestehen, das System an einer Vielzahl von Arzneimittelmolekülen zu testen, die über die beiden bisher getesteten repräsentativen Beispiele hinausgehen, sagt Doyle. Obwohl sie Grund zu der Annahme haben, dass der Prozess verallgemeinerbar ist, sagt er: „Der Beweis liegt auf der Hand – die Daten in der Hand zu haben.“

Der von ihnen verwendete Dripping-Prozess, sagt er, „kann skalierbar sein, aber es müssen noch viele Details ausgearbeitet werden.“ Da jedoch alle Materialien, mit denen sie arbeiten, als solche ausgewählt wurden, die bereits als sicher für die medizinische Verwendung anerkannt sind, sollte der Genehmigungsprozess unkompliziert sein, sagt er. „Es könnte in ein paar Jahren umgesetzt werden. … Wir machen uns keine Sorgen über all die typischen Sicherheitshürden, die meiner Meinung nach andere neuartige Formulierungen überwinden müssen, was sehr teuer sein kann.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.