Mikronadeln erschließen das therapeutische Potenzial von Curcumin

Während die Kurkuma-Wurzel seit Jahrhunderten auf der ganzen Welt medizinisch verwendet wird, hat die Wissenschaft herausgefunden, dass ihr chemischer Hauptbestandteil, Curcumin, im Körper abgebaut wird, bevor seine endgültigen Vorteile erreicht werden können. Eine spannende Zusammenarbeit zwischen den Forschern der Carnegie Mellon University, Sai Yerneni, Phil Campbell, Burak Ozdoganlar und Ezgi Yalcintas, hat einen Ansatz geschaffen, der auf einzigartige Weise die Verwendung von Curcumin als robustes Therapeutikum ermöglicht.

Curcumin ist ein krebshemmendes, entzündungshemmendes, antioxidatives und antibakterielles Polyphenol, das in Kurkuma vorkommt. Seine isolierte, reine Form ist jedoch aufgrund seines schnellen Abbaus im Körper und seiner Ausscheidung aus dem Körper nicht stabil. Dies stellt eines der größten Hindernisse für seine Übersetzung in ein praktisches Therapeutikum dar. Es dient auch als Motivation für Forscher, Verkapselungsstrategien zu erforschen, um das Curcumin im menschlichen Körper zu schützen.

Ein solcher Verkapselungsansatz besteht darin, Curcumin in Exosomen einzubauen. Exosomen sind nanometrische extrazelluläre Vesikel, die der menschliche Körper für die Kommunikation von Zelle zu Zelle verwendet, indem er Proteine, Lipide, Nukleinsäuren und Metaboliten bewegt. Durch die Platzierung von Curcumin in Exosomen ist die Chemikalie stabil genug, um durch den Körper zu wandern und ihre therapeutische Wirkung zu erzielen. Obwohl andere Forscher versucht haben, Exosomen zur Abgabe von Curcumin zu verwenden, war die Verbesserung der Stabilität von Curcumin für seine Verwendung als Therapeutikum unzureichend.

Albumin, ein natürliches Stabilisatorprotein, das im menschlichen Körper vorkommt, kann dieser Herausforderung begegnen. Yerneni, ein Postdoktorand in Chemieingenieurwesen, und Campbell, ein Forschungsprofessor für Biomedizintechnik, haben einen hybriden Ansatz entwickelt, um die einzigartigen Eigenschaften von Exosomen und Albumin zu nutzen. Sie entwickelten ein Exosom-Albumin-Hybridsystem zur Abgabe von Therapeutika, einschließlich Curcumin.

„Frühere Versuche, Curcumin in verschiedene Lipidmembran-gebundene Nanopartikel zu laden, litten darunter, dass das Curcumin entweder unzuverlässig geladen wurde oder kurzen Retentionszeiten unterworfen war, während der Einschluss von Albumin an das Curcumin bindet und es im Lumen des Exosoms hält, geschützt vor Abbau, “, sagte Campell.

Obwohl Albumin-Curcumin-Assoziation und Exosom-Verkapselung ein stabiles Arzneimittelabgabesystem bereitstellen könnten, bleibt die gezielte Abgabe an gewünschte Gewebe oder Organe eine weitere Herausforderung. Wenn sie in das Blut injiziert werden, neigen die meisten Exosomen dazu, sich in der Leber anzusammeln, anstatt das Zielorgan oder -gewebe zu erreichen. Zu diesem Zweck besteht ein attraktiver Ansatz darin, die Curcumin-Albumin-haltigen Exosomen unter Verwendung von Mikronadel-Array-Patches für hautspezifische Anwendungen bereitzustellen.

Microneedle Arrays (MNA) enthalten Dutzende oder Hunderte von Nadeln, jede so dünn wie ein menschliches Haar und für das bloße Auge unsichtbar. Durch einen Herstellungs- und Anwendungsprozess werden diese Nadeln im Mikromaßstab zunächst in einem Array-Format auf einem Patch angeordnet, der kleiner als ein Cent ist. Auflösbare Mikronadeln werden gebildet, indem das Medikament – ​​in diesem Fall Exosomen – mit einer Zuckerart gemischt und zu ihrer Form verfestigt wird.

Beim Einstechen in das Gewebe lösen sich die Nadeln auf und geben das Medikament gezielt und präzise ab. Aufgrund ihrer geringen Größe verursachen Mikronadeln keine Gewebeschäden. Als solche können sie als schmerzfreie Methode zur Verabreichung von Therapeutika in oder durch die Haut verwendet werden, wodurch die Patientencompliance und die gezielte Verabreichung verbessert werden. Insbesondere können die Mikronadelpflaster von den Patienten selbst ohne spezielle Ausrüstung oder Schulung verabreicht werden.

Die Forscher fanden einen weiteren großen Vorteil bei der Verwendung von MNAs. Als die mit Exosomen angereicherten Curcumin-Verbindungen in MNAs eingebaut wurden, stellte das Team fest, dass die Stabilität dieser Verbindungen bei Raumtemperatur dramatisch zunahm. Das System kann bis zu einem Jahr ohne Kühllagerung gelagert werden.

„Das ist groß, weil einer der Hauptnachteile der derzeitigen Impfstoffe die Transportlogistik ist, die eine Kühllagerung erfordert“, sagte Yerneni. Er erklärte, dass dies insbesondere ärmere Länder benachteilige, die keine langen Lieferketten für Kühlhäuser ermöglichen könnten. Yerneni ist optimistisch, dass diese Technologie diese Hürden überwinden kann.

Eine gemeinsame Reise

Yerneni und Campbell mussten nicht weit gehen, um einen Partner für die Bereitstellung von Exosomen mithilfe von Mikronadel-Arrays zu finden, da einer der weltweit führenden Experten für diese Technologie gleich um die Ecke war. Burak Ozdoganlar, ein Professor für Maschinenbau, hatte zusammen mit dem verstorbenen Lee Weiss, einem Professor am Robotics Institute von Carnegie Mellon, über ein Jahrzehnt lang die Bemühungen zur Entwicklung verschiedener Mikronadeln geleitet.

Eine der ursprünglichen Inspirationen für MNAs kam von Weiss, der die Idee von „Micro-Velcro“ oder Mikrowiderhaken, einer Reihe von Titanprojekten in Form einer Pfeilspitze, konzipierte. Ozdoganlar und Weiss arbeiteten Mitte der 2000er Jahre zusammen und entwickelten Herstellungsverfahren, um den „Mikro-Klettverschluss“ zu verwirklichen. Später arbeitete Ozdoganlar mit medizinischen Forschern der University of Pittsburgh zusammen, um die Anwendung von MNAs für eine Reihe von Krankheiten und Zuständen, einschließlich Hautkrebs, und in jüngerer Zeit für die COVID-Impfung zu demonstrieren.

Yalcintas, ein ehemaliger Ph.D. Student aus der Forschungsgruppe von Ozdoganlar, arbeitete eng mit Yerneni am Curcumin-Projekt zusammen. „Dies war eine echte Zusammenarbeit zwischen zwei herausragenden Forschungsgruppen. Dank der hervorragenden Arbeit von Ezgi und Sai konnten wir erfolgreich die lokale Abgabe von Curcumin an die Haut und seine Wirksamkeit beim Blockieren und Abklingen von Entzündungen demonstrieren“, sagte Ozdoganlar. „Dies kann die Behandlung einer Reihe von Hauterkrankungen und möglicherweise verschiedener Hautkrebsarten stark beeinflussen.“

Veröffentlicht in Acta Biomaterialia, zeigt die Forschung des Teams, dass das Exosom/MNA-Hybridsystem ein effektiver Weg ist, Curcumin auf die Haut zu bringen. Dies wird es Ärzten ermöglichen, Curcumin als rein natürliches Therapeutikum einzusetzen. Das Team hat gezeigt, dass dies eine wirksame Behandlung zur Verringerung lokaler Hautentzündungen in Kleintiermodellen ist, aber weitere Forschungen sind erforderlich, um die anderen Eigenschaften von Curcumin zu erforschen.

Als nächstes plant das Team, weitere Experimente mit krankheitsspezifischen Tiermodellen durchzuführen, um zu beweisen, dass die Vorteile von Curcumin mit einem Exosom-Albumin-Abgabesystem und Mikronadel-Arrays realisiert werden können.

„Wir haben das Exosom-Albumin-Abgabesystem erfolgreich mit Curcumin beladen“, sagte Yerneni. „Diese Technologie wird erweitert, um andere Medikamente abzugeben und möglicherweise andere Hautkrankheiten wie Krebs (Melanom), Psoriasis und Hautgeschwüre zu kontrollieren.“