Medikamente gelangen per Knopfdruck direkt zum Tumor

Die medikamentöse Therapie bleibt bis heute oft ein Balanceakt: Viele Wirkstoffe entfalten ihre Wirkung nach einer bestimmten Zeit im Körper. Allerdings erreicht nur etwa ein Millionstel des Medikaments tatsächlich auch den Ort der Erkrankung, etwa Tumorzellen. Die restlichen Moleküle verursachen im Körper Nebenwirkungen, welche die Lebensqualität der Patienten beeinträchtigen können. 

Ein klassisches Beispiel ist die Chemotherapie bei Krebserkrankungen. Die verabreichten Zytostatika sollen Tumorzellen zerstören, greifen aber auch gesunde Zellen an, etwa in der Schleimhaut des Verdauungstrakts oder in den Haarwurzeln. Die Folge sind Übelkeit, Haarausfall und ein geschwächtes Immunsystem. 

Arznei per Knopfdruck

Dank bahnbrechender Forschung der Technischen Universität Wien könnten Medikamente in Zukunft gezielt und auf Knopfdruck freigesetzt werden – und das ohne zeitliche Verzögerung zwischen der Einnahme und dem Erreichen des Zielorts im Körper. Das Forschungsteam rund um Johannes Bintinger kombiniert dafür zwei komplementäre Technologien. 

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Eine davon ist die sogenannte Ionenpumpe. Dieses kleine elektronische Gerät wurde vor rund 15 Jahren an der schwedischen Linköping Universität entwickelt und wird im Körper implantiert. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung werden kleine geladene Moleküle – also Ionen – gezielt durch eine entsprechende Membran transportiert und lokal freigesetzt. „Das Problem dabei ist, dass sich mit dieser Methode nur kleine und geladene Moleküle direkt transportieren lassen“, sagt Bintinger der futurezone. Viele Medikamente, etwa große Proteine, passen nicht durch die Membran. 

Um dieses Problem zu lösen, haben die Forscher die Ionenpumpe mit der sogenannten „Click-to-Release“-Chemie gekoppelt. Die wirkt wie eine chemische Schere: Ein kleines Trigger-Molekül – eine Art Reizstoff – spaltet gezielt eine zuvor eingebaute chemische Verbindung, die den Wirkstoff an einem lokalen Depot festhält. „Der Wirkstoff wird also nicht selbst durch die Pumpe transportiert, sondern erst am Zielort freigesetzt“, erklärt der Forscher. Dadurch sei es möglich, mit der Ionenpumpe per Knopfdruck letztlich auch große Biomoleküle kontrolliert freizusetzen, obwohl diese die Membran selbst nie passieren würden. 

Ein- und ausschalten

Ziel ist es, Wirkstoffe räumlich und zeitlich präzise dort freizusetzen, wo sie gebraucht werden. Der Hauptfokus liege aktuell auf lokal begrenzten, nicht-metastasierten Krebsformen. Das Implantat selbst sei derzeit ungefähr so groß wie 3 aufeinanderliegende Euro-Münzen und werde minimalinvasiv in die Nähe des Tumors gebracht. „Der entscheidende Vorteil ist die elektronische Steuerbarkeit: Man kann die Freisetzung gezielt einschalten, modulieren und auch wieder stoppen“, sagt der Forscher. 

Die Innovation eröffne auch neue Möglichkeiten für die Chronotherapie. „Der menschliche Körper folgt einem zirkadianen Rhythmus, und viele Krankheitsprozesse sowie die Wirkung und Verträglichkeit von Medikamenten hängen stark von der Tageszeit ab. Gerade in der Krebsmedizin spielen Zellteilung, DNA-Reparatur und Stoffwechsel eine wichtige Rolle, und diese Prozesse sind zeitabhängig“, sagt Bintinger. Eine Technologie, mit der man die Wirkstofffreisetzung lokal und zeitlich steuern und bei Bedarf wieder stoppen kann, erlaube, die Therapie an biologische Zeitfenster anzupassen, um Wirksamkeit zu erhöhen und Nebenwirkungen zu senken.  

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Optimierung des Systems

„Weitere potenzielle Anwendungsgebiete sind etwa Impfstoffe, bei denen immunologisch aktive Substanzen nicht nur einmalig, sondern kontrolliert und über längere Zeit freigesetzt werden könnten“, ergänzt Bintinger. Auch in der Nervenregeneration könne die gezielte und zeitlich programmierbare Abgabe biologisch aktiver Moleküle neue Therapieansätze ermöglichen. „Grundsätzlich ist die Plattform überall dort spannend, wo räumlich und zeitlich präzise Freisetzung einen medizinischen Unterschied macht“, sagt er. 

Derzeit forscht das Team an Mäusen. Die zugrunde liegende Click-to-Release-Chemie werde allerdings bereits unabhängig von der Ionenpumpe in klinischen Studien am Menschen untersucht. 

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Die Zusammenarbeit läuft mit der Medizinischen Universität Graz. Der Zeitrahmen für das Projekt beträgt mindestens 3, voraussichtlich jedoch 5 Jahre. „Langfristig streben wir eine Optimierung des Systems an: Es soll noch kleiner, präziser und vielseitiger werden, etwa durch die Fähigkeit nicht nur einen, sondern verschiedene Wirkstoffe gezielt freizusetzen“, betont Bintinger.