Ultraschallstrahl löst „Nanotröpfchen“ aus, die Medikamente genau an die richtige Stelle bringen

Bei der Verabreichung herkömmlicher Medikamente ist es oft so, als würde man mit Kanonen auf Spatzen schießen. Ob das Medikament geschluckt, injiziert, inhaliert oder über die Haut aufgenommen wird, es verteilt sich letztlich in den meisten Teilen des Körpers, auch in jenen, wo es nicht benötigt wird – oder wo es sogar Schaden anrichten könnte.

Was aber wäre, wenn die Verabreichung gezielt an die richtige Stelle erfolgen könnte? Dadurch könnte die Gesamtdosis deutlich gesenkt und die Nebenwirkungen auf ein Minimum reduziert werden.

Nun haben Wissenschaftler aus den USA einen Weg gefunden, eine vielversprechende, neue Methode zu perfektionieren, die genau das tut. Mit ihrem neuen Protokoll ist die Methode erstmals sowohl sicher als auch effizient und ebnet hoffentlich den Weg für erste Versuche am Menschen. Die Ergebnisse sind veröffentlicht In Grenzen der molekularen Biowissenschaften.

„Hier zeigen wir eine Methode, um Medikamente an bestimmte Bereiche des Körpers zu bringen, wo sie benötigt werden. Wir verwenden dazu Ultraschallwellen, die die Freisetzung von Medikamenten aus zirkulierenden Nanoträgern auslösen, wenn sie auf das Ziel gerichtet werden“, sagte Matthew G. Wilson, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der University of Utah und Erstautor der Studie. „Wir haben eine Methode entwickelt, um stabile Nanoträger wiederholbar herzustellen, und Ultraschallparameter identifiziert, die sie aktivieren können.“

Nanotechnologisch hergestellte Tröpfchen

Die Nanoträger sind winzige Tröpfchen mit einem Durchmesser zwischen 470 und 550 Nanometern und einer hohlen Außenhülle aus Polymermolekülen. Diese Polymere haben zwei unterschiedliche Enden: ein hydrophiles, das sich gut mit wässrigen Lösungen wie Blut vermischt und nach außen zeigt, und ein hydrophobes, das sich nicht mit Wasser vermischt und nach innen zeigt.

Innerhalb der Schale befindet sich ein innerer Kern aus hydrophoben Perfluorkohlenwasserstoffen, Molekülen, die hauptsächlich aus Fluor und Kohlenstoff bestehen und mit einem ebenso hydrophoben Medikament vermischt sind. Die Schalen halten die Kerne voneinander getrennt, verhindern, dass sie sich zu einem einzigen Tropfen vermischen, und bilden eine Barriere gegen das Immunsystem. Die Wirkung ist ähnlich wie bei Mayonnaise, wo Proteine ​​aus Eiern Tröpfchen aus eingekapseltem Öl bilden, wo sich Öl und Wasser sonst vollständig trennen würden.

Um das Medikament freizusetzen, spielten die Forscher Ultraschall ab – eine Schallwelle mit einer Frequenz jenseits der oberen Grenze des menschlichen Gehörs – von 300 oder 900 Kilohertz. Der Ultraschallstrahl kann dreidimensional gelenkt werden, um ihn auf einen gewünschten Bereich im Körper zu fokussieren, der nur wenige Millimeter groß ist.

Man geht davon aus, dass der Ultraschall eine Ausdehnung der Perfluorcarbone bewirkt, wodurch die Hülle des Tröpfchens gedehnt und durchlässiger für das Medikament wird, das dann zu den Organen, Geweben oder Zellen diffundiert, wo es benötigt wird.

Die Forscher verglichen die Effizienz der Verabreichung eines repräsentativen Medikaments – des Anästhetikums und Sedativums Propofol – zwischen drei verschiedenen Perfluorkohlenwasserstoffen: Perfluorpentan (PFP), Decafluorpentan (DFP) und Perfluoroctylbromid (PFOB). Der Ultraschall wurde in vitro in 60 Impulsen von 100 Millisekunden über eine Minute an die Nanotröpfchen abgegeben.

Den Siedepunkt erreichen

Die Ergebnisse zeigten, dass das Gleichgewicht zwischen der Stabilität der Nanotröpfchen und der Effizienz der Abgabe für PFOB-Kerne optimal war.

„Frühere Studien konzentrierten sich auf Perfluorkohlenwasserstoffe mit niedrigem Siedepunkt – normalerweise niedriger als die menschliche Körpertemperatur. Wir fanden heraus, dass Tröpfchen mit einem PFOB-Kern, der einen Siedepunkt von 142 °C hat, im Laufe der Zeit viel stabiler sind“, erklärte Wilson.

„Trotz seines hohen Siedepunkts kann PFOB eine ähnliche Wirkstofffreisetzung erreichen, wenn niederfrequenter Ultraschall von 300 Kilohertz angewendet wird. Die Ultraschallfrequenz erwies sich in unserer Studie als entscheidender Faktor.“

Um die Sicherheit zu testen, injizierten die Forscher einem einzelnen Javaneraffen im Abstand von einer Woche sechs Dosen PFOB-basierter Nanotröpfchen und überwachten die Entwicklung einer Reihe von Blutbiomarkern für die Funktion von Leber, Nieren und Immunsystem. Dieses Experiment, das vom Institutional Animal Care and Use Committee der University of Utah genehmigt worden war, zeigte, dass die Nanotröpfchen gut verträglich waren und keine erkennbaren Nebenwirkungen auftraten. Diese Experimente müssen in Mikrodosierungs- oder Phase-I-Studien an freiwilligen Versuchspersonen wiederholt werden.

Die Autoren haben ihr Protokoll zur Herstellung der Nanotröpfchen außerdem als Open Science veröffentlicht, sodass andere Forschungsgruppen direkt von ihren Erkenntnissen lernen können.

„Die Methode, die wir entwickelt haben, kann je nach verwendetem Medikament auf eine Vielzahl von Erkrankungen angewendet werden. In der psychiatrischen Anwendung könnte die lokalisierte Verabreichung von Propofol als Diagnoseinstrument verwendet werden, um bei einzelnen Patienten die Gehirnregionen zu identifizieren, die ursächlich an Erkrankungen beteiligt sind. Für eine nachhaltigere Behandlung könnte die Verabreichung von Ketamin eine wirksame Methode sein, um neuronale Schaltkreise neu zu verdrahten“, schloss Wilsons akademischer Betreuer Dr. Jan Kubanek, Assistenzprofessor an der University of Utah und leitender Autor der Studie.