For­scher der TU Wien kön­nen nun­mehr Ionen­pum­pen mit soge­nann­ter Click-to-Release Che­mie ver­bin­den. Bei heik­len medi­zi­ni­schen Behand­lun­gen kön­nen damit nun auch grö­ßere Mole­küle prä­zise im Kör­per frei­ge­setzt werden.

Ein Medi­ka­ment zur rich­ti­gen Zeit genau dort frei­zu­set­zen bzw. zu akti­vie­ren, wo es im Kör­per gebraucht wird, ist oft­mals ein ganz ent­schei­den­der Bestand­teil in der medi­zi­ni­schen Behand­lung. Bei man­chen Medi­ka­men­ten, etwa in der Krebs­the­ra­pie, sollte der Wirk­stoff eigent­lich nur an einer bestimm­ten Stelle aktiv sein, trotz­dem ver­teilt es sich im gan­zen Kör­per : Die Erkran­kung ist lokal, aber die The­ra­pie erfolgt sys­te­misch, räum­lich und zeit­lich unkon­trol­liert.

For­schern der TU Wien gelang nun ein wich­ti­ger Schritt : sie kom­bi­nier­ten elek­tro­ni­sche Ionen­pum­pen mit der soge­nann­ten Click-to-Release-Che­mie. Ionen­pum­pen kön­nen auf Knopf­druck kleine gela­dene Wirk­stoffe gezielt abge­ben, sind bis­her aber auf rela­tiv kleine Mole­küle beschränkt. Mit der neuen Methode wer­den nun statt des Wirk­stoffs eine Art kleine „che­mi­sche Sche­ren“ gepumpt, die am Ziel­ort zuvor immo­bi­li­sierte Wirk­stoffe frei­set­zen. Dadurch lässt sich die prä­zise elek­tro­ni­sche Steue­rung der Ionen­pum­pen erst­mals auch für ein deut­lich brei­te­res Spek­trum an Medi­ka­men­ten nutzen. 

Ganz exakte Frei­set­zung von Stof­fen auf Knopfdruck

Meh­rere Patente wur­den bereits ange­mel­det, nun wurde die „Iontro­nic Click-to-Release“-Technik auch im renom­mier­ten Fach­jour­nal „Nature Com­mu­ni­ca­ti­ons“ publi­ziert. „Wenn man einen Wirk­stoff ein­fach schluckt oder inji­ziert bekommt, dann ver­teilt er sich im gan­zen Kör­per. Nur ein win­zi­ger Bruch­teil, manch­mal nur ein Mil­li­ons­tel, wird dort wirk­sam, wo man sich die Wir­kung erhofft, etwa in den Tumor­zel­len“, sagt Johan­nes Bin­tin­ger vom Insti­tut für Ange­wandte Syn­the­se­che­mie der TU Wien, der Lei­ter des Pro­jekts.

Die im neuen Ver­fah­ren nöti­gen Ionen­pum­pen wur­den an der Lin­kö­ping Uni­ver­si­tät in Schwe­den ent­wi­ckelt : kleine elek­tro­ni­sche Geräte, die in Zukunft direkt in den Kör­per implan­tiert wer­den sol­len, in denen eine ionen­se­lek­tive Mem­bran und ange­legte elek­tri­sche Span­nung dafür sor­gen, dass gela­dene Mole­küle gezielt und zeit­lich prä­zise frei­ge­setzt wer­den. Das pas­siert dann in direk­ter Umge­bung des Implan­tats. So lässt sich die Frei­set­zung von Stof­fen auf Knopf­druck sehr genau steu­ern.

Ionen­pum­pen nicht für jedes Mole­kül geeignet

Die For­scher waren aber auch mit einer Pro­blem­stel­lung kon­fron­tiert : „Ionen­pum­pen sind lei­der nicht für jedes Mole­kül geeig­net. Sie kön­nen nur elek­trisch gela­dene Mole­küle frei­set­zen, die eine bestimmte Maxi­mal­größe nicht über­schrei­ten“, erklärt Sebas­tian Hecko (TU Wien), Erst­au­tor der aktu­el­len Publi­ka­tion. Für viele wich­tige Medi­ka­mente, etwa für große Pro­te­ine, funk­tio­niert diese Methode daher nicht. „Sie sind viel zu sper­rig, um durch die poröse Mem­bran der Ionen­pumpe frei­ge­setzt zu wer­den“, so Bintinger.

An die­ser Stelle kommt der zweite Teil der For­schungs­ar­beit ins Spiel. Bin­tin­ger erläu­tert die soge­nannte „Click-to-Release Che­mie“, ein Kon­zept aus der bio­or­tho­go­na­len Che­mie. Das betrifft Reak­tio­nen, die selek­tiv zwi­schen defi­nier­ten Part­nern ablau­fen, ohne andere Mole­küle im Kör­per zu beein­flus­sen. Mole­küle wer­den über gezielt spalt­bare che­mi­sche Ver­knüp­fun­gen an ein loka­les Depot gebun­den und blei­ben zunächst immobilisiert. 

Funk­tio­nale Zusam­men­füh­rung zweier kom­ple­men­tä­rer Technologien

„Erst ein pas­sen­des Trig­ger-Mole­kül löst diese Bin­dung und setzt die Mole­küle am gewünsch­ten Ort frei. Genau die­ses Prin­zip nut­zen wir in Kom­bi­na­tion mit der Ionen­pumpe : Statt den Wirk­stoff selbst zu trans­por­tie­ren, wird ein klei­nes Trig­ger-Mole­kül gepumpt, das lokal fixierte Wirk­stoff-Kon­ju­gate selek­tiv spal­tet und so Zeit­punkt und Dosis der Frei­set­zung prä­zise steu­er­bar macht“, erklärt Han­nes Mikula von der TU Wien. 

„Wir konn­ten nun zei­gen, dass wir mit Ionen­pum­pen die Frei­set­zung sol­cher Trig­ger-Mole­küle prä­zise elek­tro­nisch steu­ern kön­nen“, sagt Sebas­tian Hecko. „Damit kön­nen wir genau kon­trol­lie­ren, wann und wie viel Wirk­stoff am Ziel­ort frei­ge­setzt wird. Wir haben damit zwei kom­ple­men­täre Tech­no­lo­gien funk­tio­nal zusam­men­ge­führt und ihre jewei­li­gen Vor­teile kom­bi­niert.“

Gezielte lokale The­ra­pie statt sys­te­mi­scher Belastung

Nach­dem die Medi­ka­mente auf diese Weise genau am gewünsch­ten Ort wirk­sam wer­den, kön­nen deut­lich gerin­gere Men­gen aus­rei­chen und das ver­rin­gert dann auch mög­li­che Neben­wir­kun­gen erheb­lich. Beson­ders rele­vant ist das für Patien:innen mit lokal begrenz­ten Erkran­kun­gen, die heute oft den­noch sys­te­mi­sche Che­mo­the­ra­pien erhal­ten. „Ein ein­zi­ger Trop­fen kann ein Viel­fa­ches der Medi­ka­men­ten­menge beinhal­ten, die man für eine mehr­wö­chige Krebs­the­ra­pie braucht“, sagt Johan­nes Bintinger. 

„Gleich­zei­tig hat die elek­tro­nisch steu­er­bare Ionen­pumpe den Vor­teil, dass man opti­male Kon­trolle über die Frei­set­zung hat. Man­che Medi­ka­mente wir­ken zum Bei­spiel dann am bes­ten, wenn man sie zu einer ganz bestimm­ten Tages­zeit frei­setzt. Mit der Ionen­pumpe ist das kein Pro­blem, mit ande­ren Ver­ab­rei­chungs­me­tho­den wie Pil­len oder Infu­sio­nen wäre das prak­tisch unmög­lich“, unter­streicht Bin­tin­ger von der TU Wien.

Über­füh­rung in kon­krete the­ra­peu­ti­sche Anwendungen

Die Arbeit des For­schungs­teams von TU Wien, Lin­kö­ping Uni­ver­si­tät und Med Uni Graz, zeigt nun anhand von Expe­ri­men­ten mit leben­den Zel­len, dass die neue Methode hoch­prä­zise und zuver­läs­sig ein­ge­setzt wer­den kann. Nun sol­len wei­tere Expe­ri­mente fol­gen, um die Tech­nik mög­lichst rasch anwen­dungs­taug­lich zu machen. 

Das Pro­jekt der TU Wien wur­den im Rah­men des For­schungs- und Inno­va­ti­ons­pro­gramms Hori­zon Europ der Euro­päi­schen Union geför­dert. „Es gibt in der Medi­zin viele Anwen­dungs­mög­lich­kei­ten dafür. Unser Ziel ist es, diese Tech­no­lo­gie in kon­krete the­ra­peu­ti­sche Anwen­dun­gen zu über­füh­ren“, so Johan­nes Bin­tin­ger vom Insti­tut für Ange­wandte Syn­the­se­che­mie der TU Wien und Lei­ter des Pro­jekts. (red/​cc)