Neues Arzneimittelabgabesystem setzt therapeutische Fracht nur dann frei, wenn Bakterien vorhanden sind

Ein Team von Forschern der Brown University hat ein neues reaktionsfähiges Material entwickelt, das in der Lage ist, eingekapselte Fracht nur dann freizusetzen, wenn pathogene Bakterien vorhanden sind. Aus dem Material könnten Wundauflagen hergestellt werden, die schnell auf aufkeimende Infektionen reagieren, aber Medikamente nur bei Bedarf abgeben.

Die Entwicklung sei angesichts der weltweiten Antibiotika-Resistenzkrise besonders relevant, sagen die Forscher, da das Material helfen könnte, Infektionen zu bekämpfen und gleichzeitig das Problem der Resistenzen anzugehen.

„Wir haben ein durch Bakterien ausgelöstes, intelligentes System zur Verabreichung von Medikamenten entwickelt“, sagte Anita Shukla, außerordentliche Professorin an der Brown’s School of Engineering, die die Entwicklung des Materials leitete. „Unsere Hypothese ist, dass Technologien wie diese, die die für eine wirksame Behandlung erforderliche Menge an Medikamenten reduzieren, auch Nebenwirkungen und das Resistenzpotenzial reduzieren können.“

Das neue Material, beschrieben in der Zeitschrift ACS Angewandte Materialien und Schnittstellen, ist ein Hydrogel – ein hydratisiertes Polymernetzwerk. Hydrogele sind hochgradig biokompatibel und können zur Einkapselung einer Reihe von Nanopartikeln oder niedermolekularen Therapeutika verwendet werden. Sie werden häufig in Wundauflagen verwendet. „Intelligente“ oder reaktionsfähige Hydrogele entwickeln sich zu vielversprechenden Plattformen für die Arzneimittelabgabe. Sie können so hergestellt werden, dass sie auf die lokale Umgebung reagieren – die Freisetzung von Medikamenten als Reaktion auf Temperatur, pH-Wert oder andere Faktoren beschleunigen oder verlangsamen.

Für dieses neue Material entwickelten Shukla und ihr Team ein Hydrogel, das empfindlich auf β-Lactamasen reagiert, eine Enzymklasse, die von einer Vielzahl schädlicher Bakterien freigesetzt wird. Das Vorhandensein von β-Lactamasen bewirkt, dass das vernetzte Polymernetzwerk des Materials abgebaut wird, wodurch die darin enthaltenen therapeutischen Nanopartikel freigesetzt werden.

„Interessant ist, dass β-Lactamasen tatsächlich eine Hauptursache für Antibiotikaresistenzen sind, da sie β-Lactam-Antibiotika zerstören, die zu den am häufigsten verschriebenen Antibiotika gehören“, sagte Shukla. „Aber wir haben diesen bakteriellen Abwehrmechanismus genommen und ihn gegen die Bakterien eingesetzt.“

In einer Reihe von Laborexperimenten zeigten Shukla und ein Team von Brown-Doktoranden, dass das Material tatsächlich empfindlich auf β-Lactamasen reagiert und nur dann Nanopartikel freisetzt, wenn β-Lactamasen oder β-Lactamase-produzierende Bakterien vorhanden sind. Ansonsten hielt das Material seine Ladung eingekapselt. Das Team plant, das Material weiterzuentwickeln und zu testen, schließlich im klinischen Umfeld als Wundverband, der auf neu auftretende Infektionen reagieren kann.

„Wir glauben, dass dies das Potenzial hat, in die Klinik übertragen zu werden“, sagte Shukla. „Daran arbeiten wir weiter.“

Weitere Autoren der Studie sind Dahlia Alkekhia und Cassi LaRose vom Brown’s Center for Biomedical Engineering.