Intelligentere Wirkstofffreisetzung durch Kontrolle der Verkapselung
Forscher der Technischen Universität Eindhoven und der Universität Utrecht haben die Parameter entdeckt, die die Verkapselung von Medikamenten regeln. Dies gibt mehr Kontrolle über die langsame und gleichmäßige Freisetzung von Medikamenten bei Patienten. Darüber hinaus wird die Entwicklung von Verkapselungen für neue Medikamente nun wesentlich weniger Experimente erfordern, was zu einer schnelleren und kostengünstigeren Medikamentenentwicklung führt. Die Forscher glauben, dass diese Arbeit einen signifikanten Einfluss auf den biomedizinischen Bereich und die Entwicklung zukünftiger Medikamente haben wird.
Schematische Darstellung einer Mizele, die aus einer hydrophilen Hülle (blaue Schwänze) und einem hydrophoben Kern (rote Schwänze) besteht - verkapselnde Wirkstoffmoleküle (gelb). Die Wirkstoffmoleküle sammeln sich meist an der Kern-Schale-Grenzfläche (gestrichelte weiße Linie) der Mizelle, wenn die Konzentration des Wirkstoffs unter der Wasserlöslichkeit des Lösungsmittels liegt, während sie sich im Kern sammeln, wenn die Konzentration über der Löslichkeit liegt.
Alessandro Ianori
Viele Medikamente sind hydrophob - sie lösen sich nicht gut im Wasser auf - was die Verabreichung von Medikamenten bei Patienten problematisch macht. Eine mögliche Lösung ist die Verkapselung der Medikamente in kleinen Verpackungen, die innen hydrophob (wasserabweisend) und außen hydrophil (wasserlöslich) sind. Die Medikamente sammeln sich im Inneren dieser Verpackungen an und der Transport des Medikaments durch den Körper des Patienten wird wesentlich erleichtert. Die Verpackungen bestehen oft aus zugehörigen Tensiden, die pharmagerecht zugelassen sind. In Wasser, einer physiologischen Lösung oder Blut gelöst, richten diese Moleküle ihren hydrophoben Teil auf den inneren Kern (mit Affinität zu den unlöslichen Medikamenten) und ihre hydrophile Seite auf die Außenseite aus und bilden ein kugelförmiges "Paket", eine sogenannte Mizelle.
Der Aufenthaltsort in einer Mizelle
Seit Jahrzehnten ist es möglich, Medikamente auf diese Weise durch den Körper zu transportieren, aber erst jetzt verstehen die Forscher, welche Faktoren genau bestimmen, wo sich die Medikamente in der Mizelle sammeln. Diese räumliche Verteilung kann die Freisetzungsrate der Medikamente innerhalb eines Patienten dramatisch beeinflussen. Einige Medikamente konzentrieren sich in der Mitte des hydrophoben Kerns der Mizelle und werden langsam freigesetzt, was für die Medikamenteneinnahme eines Patienten wünschenswert ist. Andere Medikamente sammeln sich an der Kern-Schale-Grenzfläche der Mizelle und setzen sich typischerweise schnell frei. Daher steuert die Kontrolle der Position der Medikamente in der Mizellenverkapselung die Freisetzungsrate der Medikamente.
Verwendung eines Farbstoffs zur Verfolgung von Medikamenten
Um zu untersuchen, wo sich unlösliche Medikamente sammeln, verwendeten die Forscher Nilrot, ein Farbstoffmolekül, das der Größe und Löslichkeit typischer Medikamente ähnelt. Der Farbstoff hat eine sehr intelligente Eigenschaft: Er absorbiert nicht nur eine bestimmte Lichtfarbe, sondern auch diese Farbe hängt von seiner Umgebung ab. Wenn der Farbstoff in reinem Wasser gelöst wird, absorbiert er Licht einer anderen Farbe, als wenn auch etwas Alkohol im Wasser gelöst ist. Das Ändern des Wasser/Alkoholverhältnisses ist eine gute Möglichkeit, ein gutes oder ein schlechtes Lösungsmittel für den Farbstoff zu simulieren. Dies ist analog zur Arbeit mit einem wasserlöslichen oder unlöslichen Medikament. Durch die Messung der Lichtabsorption konnten die Forscher bestimmen, wie viel Farbstoff sich im Kern der Mizelle und wie viel an der Kern-Schale-Grenzfläche angesammelt hat.
Experimente kombiniert mit Computersimulationen
Um ihre Ergebnisse zu bestätigen, führten die Forscher Computersimulationen durch, um die Positionen der gelösten Medikamente und die Form der Blockcopolymer-Mizelle zu bestimmen. Die Berechnungen zeigen die Anordnung der Komponenten innerhalb und außerhalb der Mizelle, so dass die bevorzugten Bereiche des Medikaments beurteilt werden können.
Aus den Experimenten und Berechnungen wurde der Schluss gezogen, dass die bevorzugte Region des Wirkstoffs innerhalb der Blockcopolymer-Mizellen hauptsächlich durch die Konzentration und die Löslichkeit der Wirkstoffmoleküle im umgebenden Medium (Wasser/Physiologie/Medium/Blut) bestimmt wird. Liegt die Konzentration des Medikaments unter der Wasserlöslichkeit des Lösungsmittels, sammeln sich die Wirkstoffmoleküle an der Kern-Schale-Grenzfläche der Mizelle, während sie sich im Kern sammeln, wenn die Konzentration über der Löslichkeit liegt.
Weniger Experimente mit Versuchen und Fehlern
Die heutige Forschung zur Verkapselung von Medikamenten wird von Trial-and-Error-Experimenten dominiert. Die in dieser Studie berichteten Ergebnisse ermöglichen eine einfachere und kostengünstigere Entwicklung von intelligenten Medikamenten. Dies trägt dazu bei, Nebenwirkungen im Zusammenhang mit der Therapie zu reduzieren und die Entwicklung personalisierter therapeutischer Behandlungen zu erleichtern, bei denen die Freisetzung des Medikaments an die individuellen Bedürfnisse des Patienten angepasst wird.
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