Gezielte Freisetzung von Antibiotika mit Nanoreaktoren
Chemiker der Universität Basel haben winzige Nanokugeln entwickelt, die das häufig eingesetzte Antibiotikum Cephalexin herstellen und lokal freisetzen können. Wenn es gelingt, solche Nanoreaktoren in medizinische Implantate einzubauen, liessen sich gezielt bakterielle Infektionen bekämpfen, ohne dass der Wirkstoff über den ganzen Körper verteilt wird.
Polymersomen sind kugelförmige Strukturen mit einer Grösse im Nanobereich. Sie bestehen aus einer künstlichen Membran, die einen Hohlraum umschliesst. Um diese Hülle für kleine Moleküle durchlässig zu machen, hat die Gruppe um den Basler Chemiker Prof. Wolfgang Meier Proteine eingebaut und die Membran so mit winzigen Kanälen ausgestattet. Damit konnten die Forschenden einen Nanoreaktor herstellen, in dessen Innern sich ein Enzym einschliessen lässt. Dort ist das Enzym vor Abbau geschützt und ist über die Poren in der Hülle für Substrate zugänglich.
In der vorliegenden Arbeit kapselten die Forscher das Enzym Penicillinacylase in die Polymerkugel ein. Penicillinacylase beschleunigt die Synthese zweier inaktiver Stoffe zu Cephalexin, einem Antibiotikum, mit dem bakteriellen Infektionen oft behandelt werden. In Versuchen konnten die Chemiker zeigen, dass die Ausgangsstoffe durch die Membran eindringen, mithilfe des Enzyms miteinander reagieren und die produzierten Antibiotika durch die poröse Hülle des Nanoreaktor wieder austreten. Das Resultat: Das Wachstum eines Testbakteriums wurde in Gegenwart des Nanoreaktors erfolgreich unterdrückt.
Der Nanoreaktor als Katalysator: Die nicht aktiven Vorstufen (gelb, grün) reagieren mithilfe des eingekapselten Enzyms zu einer antibiotisch wirksamen Verbindung (rot), die aus dem Nanoreaktor austritt.
Chemical Communications
Antibiotikafreisetzung an Ort und Stelle
Nach dem Einsetzen von Implantaten – zum Beispiel Zahnimplantaten oder künstlichen Gelenken – führen bakterielle Infektionen nicht selten zu Komplikationen, die sich nur schwer behandeln lassen. Meist werden diese Infektionen durch oral verabreichte Antibiotika behandelt. Das hat den Nachteil, dass der Wirkstoff über den ganzen Körper verteilt wird und an anderer Stelle womöglich eine unbeabsichtigte Wirkung entfaltet. Bei vermehrter Anwendung von Antibiotika steigt zudem die Wahrscheinlichkeit einer Resistenzbildung. In der modernen Materialforschung werden deshalb Ansätze verfolgt, um antibiotische Komponenten direkt in Materialien oder Beschichtungen einzubauen.
Nanoreaktoren in der Implantationsmedizin
Polymere Nanoreaktoren bilden einen vielversprechenden Ansatz, um die Dosis von Medikamenten zu reduzieren, ohne dass sich die Effizienz der Wirkstoffe verschlechtert. Gelänge es, Implantate mit Nanoreaktoren zu beschichten, wäre das ein eleganter Weg, um Antibiotika örtlich begrenzt einzusetzen. Zwar blieben die oral verabreichten inaktiven Vorstufen weiterhin im gesamten Körper verteilt, doch würden sie erst durch die Nanoreaktoren an der gewünschten Stelle zum aktiven Wirkstoff umgesetzt.
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