Niemand mag Nadeln, aber sie sind notwendig, um viele Impfstoffe und Biologika in den Körper zu bringen. Aber was wäre, wenn diese stattdessen mit nur wenig Druck durch die Haut gepustet werden könnten, als würde man mit einem Schaumstoffspielzeug auf den Arm schlagen? Heute berichten Wissenschaftler von Schritten, um dies Wirklichkeit werden zu lassen. Mit pulverförmigen Impfstoffen, die keine Kühlung erfordern, und einem System, das mit komprimiertem Gas betrieben wird, könnte ihr „MOF-Jet“ auf relativ schmerzlose Weise Therapeutika gegen Krebs und andere Krankheiten leicht abgeben.
Die Forscher stellen ihre Ergebnisse auf der Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS) vor. ACS Spring 2023 ist ein Hybrid-Meeting, das vom 26. bis 30. März virtuell und persönlich abgehalten wird.
Die Idee zu dem Projekt entstand aus pandemiebedingter Langeweile. Der Hauptforscher des Projekts, Jeremiah Gassensmith, Ph.D., hatte preiswerte Teile eines druckgasbetriebenen Jet-Injektionssystems bestellt, um damit herumzuspielen, während er zu Hause festsitzt. Später, nachdem alle wieder auf dem Campus waren, übergab er die Stücke an Yalini Wijesundara, eine Doktorandin im Labor, mit der Anweisung: „Schauen Sie, was Sie damit machen können.“
Wijesundara, der die Arbeit bei dem Treffen vorstellt, nahm diese Anweisungen gelassen entgegen. Sie hatte zuvor andere Jet-Injektoren aus den 1960er Jahren untersucht, die komprimiertes Gas verwenden, um einen schmalen Flüssigkeitsstrahl zu injizieren. Wenn die Injektoren so modifiziert werden könnten, dass sie Feststoffe abfeuern, könnten sie auch Fracht liefern, die in metallorganischen Gerüsten oder MOFs eingeschlossen ist. Diese Gerüste sind poröse, kristalline Strukturen, die wie molekulare „Käfige“ wirken, um eine Vielzahl von Materialien, einschließlich Nukleinsäuren und Proteinen, einzukapseln. Durch die Kombination des Strahlinjektors mit der bestehenden Arbeit des Labors an MOFs schuf Wijesundara einen „MOF-Jet“. Der Strahl kann Pulver an Zellen abgeben, indem er sie buchstäblich mit Luft einschießt. Sowohl Gassensmith als auch Wijesundara sind an der University of Texas in Dallas.
Düseninjektoren wurden früher im Militär weit verbreitet eingesetzt, aber sie waren schmerzhaft und die Flüssigkeit spritzte oft zurück und verbreitete möglicherweise andere Krankheiten wie Hepatitis B. Ein moderner Nachkomme ist die „Genkanone“, die typischerweise in der Veterinärmedizin und verwendet wird kann Zehntausende von Dollar kosten. Diese Geräte schießen auch biologische Fracht in Zellen. In diesem Fall wird die Fracht an der Oberfläche eines Metallmikropartikels befestigt, typischerweise aus Gold oder Wolfram. Doch einmal in die Haut eingedrungen, bleiben die Metallpartikel dort und können den Abbau des biologischen Materials beschleunigen.
Eine andere Strategie wäre es, die Ladung in ein MOF zu legen. Die Gruppe von Gassensmith arbeitete zuvor mit dem MOF namens Zeolitic-Imidazolate Framework Eight oder ZIF-8. „Im Vergleich zu Gold ist es billig und schützt biologische Materialien wie Nukleinsäuren“, erklärt Wijesundara. „Wir können darin auch Impfstoffformulierungen als Pulver bei Raumtemperatur lagern, wodurch die extrem kalten Temperaturen entfallen, die viele flüssige Impfstoffe erfordern.“
Das Team schloss eine Vielzahl biologischer Materialien in ZIF-8 ein, was sie davor schützte, zu schnell abgebaut zu werden. Um die Materialien in die Zellen zu bringen, verwendete das Team seinen eigenen modifizierten, von einer Genkanone inspirierten „MOF-Jet“. Wijesundara schuf „Kugeln“ für das Gerät, die jeweils mit einer Dosis funktionalisiertem ZIF-8 geladen waren, und ein Gasstoß feuerte die pulverförmige Formulierung in Zellen, was so einfach war wie nur „Zeigen und Schießen“. Sie testeten ihr System und zeigten, dass der MOF-Jet Zwiebelzellen ein ZIF-8-umhülltes Gen und Mäusen ein ZIF-8-umhülltes Protein zuführte. Laut Gassensmith fühlt sich die Explosion des Injektors einfach an, „als ob Sie von einer Nerf-Kugel getroffen wurden“ – viel weniger schmerzhaft als von einer Nadel gestochen zu werden.
Durch das Herumbasteln am MOF-Jet erkannte Wijesundara bald, dass die Ladungsfreigabe durch einfaches Wechseln des Trägergases des Injektors eingestellt werden konnte. ZIF-8 ist empfindlich gegenüber sauren Umgebungen, und wenn Kohlendioxid mit Wasser in Zellen reagiert, entsteht Kohlensäure, die wiederum hilft, das MOF aufzubrechen. „Wenn Sie es mit Kohlendioxid beschießen, wird es seine Fracht innerhalb der Zellen schneller freisetzen; wenn Sie normale Luft verwenden, dauert es vier oder fünf Tage“, erklärt sie. Dies bedeutet, dass das gleiche Medikament über verschiedene Zeiträume hinweg freigesetzt werden könnte, ohne seine Formulierung zu ändern. „Als wir das erkannten, eröffneten sich viele Möglichkeiten“, sagt Gassensmith.
Das Team wendet diese Methode nun an, um Chemotherapeutika und Adjuvantien als mögliche Behandlung von Melanomen, der schwersten Form von Hautkrebs, bereitzustellen. Sie sagen, weil der MOF-Jet Material über einen weiten Bereich verteilen kann, könnte er ein Krebstherapeutikum gleichmäßiger in einem Melanom verteilen als mit einer Nadel, was die derzeitige Verabreichungsmethode ist. Und durch einfache Steuerung des Trägergases könnten sie je nach Bedarf des Patienten Chemotherapeutika mit schnell oder langsam freisetzendem Zeitrahmen abgeben. Obwohl die Forschung noch nicht abgeschlossen ist, liefern erste Experimente vielversprechende Ergebnisse. Wijesundara und Gassensmith sagen, dass die Anpassungsfähigkeit ihres MOF-Jets eine Vielzahl von Anwendungen ermöglichen könnte, von der Veterinärmedizin bis zur Landwirtschaft oder eines Tages sogar Impfungen oder Behandlungen für Menschen.
Mehr Informationen:
ACS Frühjahr 2023: Trägergas-getriggerte kontrollierte biolistische Abgabe von DNA- und Proteintherapeutika aus metallorganischen Gerüsten, www.acs.org/meetings/acs-meetings/spring-2023.html