Forschen

Nanopartikel unterliegen aufgrund ihrer Größe und physikochemischen Eigenschaften einer eingeschränkten Verteilung im Organismus. Dies stellt im Rahmen der Therapie ein gravierendes Handicap dar. Eine Ausnahme sind Tumore, in die Nanopartikel über sog. fenesterierte Endothelien eindringen können. In den malignen Geweben entstehen solche Öffnungen durch pathologische Veränderungen von Blutgefäßen, insbesondere von Kapillaren. Fenestrierte Endothelien kommen aber auch unter physiologischen Bedingungen in einer Reihe von Geweben vor, so zum Beispiel in den Glomeruli der Niere oder in der Aderhaut der Retina. In beiden Fällen könnte die Therapie einer Reihe von Erkrankungen enorm von der Fähigkeit therapeutischer Nanopartikel, den Blutkreislauf gezielt verlassen zu können, profitieren. Ziel unserer Arbeiten ist es zu verstehen, welche Eigenschaften es Nanopartikeln nach parenteral Applikation erlaubt nicht-maligne Gewebe zu erreichen.

Nanopartikel Verteilung in der hinteren Augenkammer. Die Nanopartikel (rot) reichern sich in den Endothelzellen der Choriocapillaris1 (CC) an. Sclera (S); retinales Pigment Epithel (RPE). Fluoreszierende Nanopartikel (rot); DAPI-Zellkern-Färbung (blau); Gewebe Autofluoreszenz (grau). (Abbildung aus: Pollinger et al. Proc. Natl. Acad. Sci. 2013, 110, 6115–6120, www.pnas.org/content/110/15/6115).

Ein derzeit vielbeachtetes Thema im Bereich Nanomaterialien zur Applikation von Arzneistoffen ist die Anwendung von Nanopartikeln zur gezielten Interaktion mit Rezeptoren an der Zelloberfläche. Für diese als direktes Targeting bezeichnete Strategie werden in der Regel selektive Liganden für Oberflächenrezeptoren der Zielzelle in der Corona von Nanopartikeln immobilisiert mit dem Ziel deren Avidität für die Zielzelle zu erhöhen.
Durch die Anbindung von Liganden an die Partikeloberfläche, aber auch durch die gleichzeitige Präsentation, ändern sich allerdings eine Reihe von Eigenschaften gegenüber den genuinen Liganden. Einerseits büßen Liganden durch die Anbindung an Materialoberflächen einen Teil ihrer Fähigkeit ein, mit hoher Affinität an den Zielrezeptor zu binden. Andererseits können derartige Ligand-modifizierte Nanopartikel koordiniert an mehreren Rezeptoren gleichzeitig binden, was den Affinitätsverlust kompensieren und die Avidität sogar erhöhen kann. Ziel der Arbeiten ist es, die Mechanismen dieser multivalenten Bindung eingehend zu untersuchen und zu verstehen, welche Avidität für die Bindung der Nanopartikel an die Zielzelle resultiert.
Ein weiterer Aspekt der Arbeiten sind sogenannte Off-Target Zellen, die ggf. denselben Rezeptor wie die Zielzelle tragen und durch Bindung einfach dotierter Nanopartikel deren Zielgenauigkeit mindern. Viren als „natürliche“ Nanopartikel umgehen dieses Problem, indem sie an mehrere unterschiedliche Rezeptoren binden, um damit die Zielzelle zu identifizieren. Gegenstand der Forschungsarbeiten ist es, dieses Prinzip biomimetisch auf Nanopartikel zu übertragen, um dadurch die Spezifität für die Zielzelle zu steigern. Dies soll durch die Bindung mehrerer Liganden für unterschiedliche Rezeptoren an Nanopartikel erreicht werden, die ähnlich wie im Falle von Viren nicht gleichzeitig, sondern zeitlich versetzt präsentiert werden.

Sagittal eye sections of mice that received 200 pmol either ligand-decorated (right figure) or or ligand-free quantum dot (Qdot) nanoparticles (right figure). Upon systemic administration only EXP3174-modified Qdots accumulated in the choriocapillaris and in intraretinal capillaries of the posterior eye. (CC: choriocapillaris, RPE: retinal pigment epithelium, OS: outer segment, IS: inner segments, ONL: outer nuclear layer, OPL: outer plexiform layer, INL: inner nuclear layer, fluorescent nanoparticles (red); DAPI nuclei staining (blue); tissue autofluorescence (gray). (Figure taken from: Hennig et al., Multivalent nanoparticles bind the retinal and choroidal vasculature. Journal of controlled release 220 (2015) 265–274. DOI: 10.1016/j.jconrel.2015.10.033).

Beispiel für die multivalente Interaktion von Nanopartikeln mit Zellen. Der Einsatz multivalenter Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen ist eine etablierte Strategie um Nanostrukturen mit hoher Avidität zu gewünschten Zielgeweben oder -zellen zu erhalten. Die Abbildung zeigt das Phänomen am Beispiel eines Poly(laktid-co-glykolid) (PLGA) Nanopartikels, der mit Angiotensin II (Ang-II) funktionalisiert wurde und an einer Zellmembran bindet, die den Angiotensin II-Rezeptor Subtyp 1 (AT1R) exprimiert. © Universität Regensburg, Lehrstuhl für Pharmazeutische Technologie

Wechselwirkungen zwischen Zellen und Geweben auf der einen und Materialien auf der anderen Seite spielen eine herausragende Rolle für zahlreiche pharmazeutische und biomedizinische Anwendungen. Gezielte Interaktionen kann man sich beispielsweise zu Nutze machen, um das Verhalten von Zellen im Rahmen ihrer Kultivierung oder für Anwendungen des Tissue Engineerings zu kontrollieren. Während die Materialoberflächen in diesem Fall häufig größer dimensioniert sind als die Zelloberfläche, spielen gezielte Wechselwirkungen aber auch eine herausragende Rolle im umgekehrten Fall nämlich bei der Interaktion von Nanomaterialien mit Zellen und Geweben. In diesem Zusammenhang werden im Arbeitskreis insbesondere Wechselwirkungen von funktionalisierten Nanopartikeln mit potentiell therapeutisch relevanten Ziel-Zellen untersucht. Im Rahmen dieser Arbeiten sind insbesondere Mechanismen der Bindung von Nanopartikeln an Zellen und deren zelluläre Aufnahme von Interesse. Dabei ist es von herausragender Bedeutung, Kontrolle über die Prozesse und Mechanismen der Zellanbindung und den Verbleib von Nanopartikeln in der Zelle zu erhalten. Dazu kommen unter anderem bildgebende Verfahren zum Einsatz. Ziel ist es, zu verstehen, wie Nanopartikel aufgrund ihrer physikochemischen Eigenschaften mit Zellen interagieren und welche Strukturen auf zellulärer Seite hierbei eine Rolle spielen, um Rückschlüsse auf ihren Verbleib im biologischen System ziehen zu können.

Am Lehrstuhl werden verschiedene Trägersysteme (hellblauer Zylinder, Abbildung A) wie z.B. Hydrogele, Mikropartikel zur Inhalation oder Implantate zur Freisetzung pharmakologisch wirksamer oder diagnostischer Substanzen (dunkelblaue Kugeln, Abbildung A) entwickelt. Dazu zählen sowohl therapeutische Proteine und Antikörper als auch verschiedene nanopartikuläre Systeme. Ziel ist die kontrollierte Freisetzung über indikations-spezifische, flexible Zeiträume (beispielhaftes Freisetzungsprofil, Abbildung B). Copyright: Lehrstuhl für Pharmazeutische Technologie Universität Regensburg). © Universität Regensburg, Lehrstuhl für Pharmazeutische Technologie

Die pharmakologischen Eigenschaften von Arzneistoffen stehen im Zentrum einer jeden Pharmakotherapie. Häufig erlauben es ihre physikochemischen Eigenschaften aber nicht, sie mit Hilfe konventioneller Arzneiformen zu applizieren. Aufgrund mangelnder Stabilität, unzureichender Löslichkeit oder ungünstiger Verteilung im Organismus kann ein therapeutischer Effekt vollständig ausbleiben. In diesen Fällen kann es helfen die Arzneiformen zu entwickeln, die in der Lage sind, den Wirkstoff kontrolliert freizusetzen. Die Bandbreite von entsprechenden Arzneiformen ist sehr groß, am Lehrstuhl werden aber insbesondere Arzneiformen für parenteralen und lokalen Einsatz entwickelt.

Grundprinzip der Hydrogelbildung mittels Diels-Alder Reaktion. Mit Furyl und Maleinimid funktionalisiertes multiarm Polyethylenglycol wird separat in Wasser gelöst und anschließend vereint. Sofort nach dem Mischen beginnt die Polymerisation zum Hydrogel.

Die Gruppe der Biologics hat in den vergangenen Jahren unter den Arzneistoffen zunehmend an Bedeutung gewonnen. Als prominente Vertreter sind zahlreiche Proteine und Nukleinsäuren zwar wertvolle Therapeutika, sind aber auch mit einer Reihe von Herausforderungen hinsichtlich ihrer therapeutischen Anwendung verknüpft. Aufgrund ihrer Größe und teils begrenzten Stabilität in biologischen Medien lassen sich einige Vertreter nicht beliebig applizieren und unterliegen im Organismus einer eingeschränkten Verteilung. Als Beispiele solcher Wirkstoffe seien in diesem Zusammenhang Biologics genannt, die zur Behandlung von Erkrankungen der Retina wie beispielsweise diabetischer Retinopathie oder altersbedingter feuchter Makuladegeneration Anwendung finden. Eine Freisetzung aus einem intravitrealen Depot würde einerseits die Compliance für die Therapie steigern und gleichzeitig das durch die Injektion vermittelte Risiko an Nebenwirkungen senken. Hydrogele stellen für diese und ähnliche Therapien ideale Trägermaterialien für Biologics dar. Am Lehrstuhl Lehrstuhl werden Hydrogele auf der Basis von verzweigten Poylethylenglykolen entwickelt, deren Endgruppen sich über eine Diels-Alder-Reaktion zu einem dreidimensionalen Hydrogelgerüst verknüpfen. Die resultierenden Hydrogele sind perfekt durchscheinend und bauen sich über eine langsam ablaufende Retro-Diels-Alder Reaktion in Wasser ab. Bei Injektion ins Gewebe gelieren die Materialien in situ und können Proteine über mehrere Wochen und Monate freisetzen.