Mikrofluidik-Assay misst Arzneimittel-Clearance aus dem Körper
Die Verstoffwechselung von Arzneimitteln im menschlichen Körper erfolgt vor allem über spezifische Enzyme, so genannte Cytochrome P450 (CYP). Die Enzymfamilie sorgt auch für die Entfernung toxischer Umwelt- und Haushaltschemikalien, mit denen der Mensch täglich in Kontakt kommt. Diese Chemikalien können die Aktivität von CYP beeinträchtigen, sodass sich medizinische Substanzen über den toxischen Wert hinaus akkumulieren, oder die CYP-Expression induzieren, was wiederum eine zu schnelle Clearance (Entfernung) von Arzneimitteln bewirken und die therapeutische Wirksamkeit verringern kann.
Mikrofluidischer Assay zur Messung der CYP-Aktivität
Wissenschaftler des EU-finanzierten Projekts CUMTAS untersuchten, wie Chemikalien die Enzymaktivität von CYP beeinflussen. Laut Projektkoordinatorin Dr. Tiina Sikanen ist „vor allem die zu schnelle Clearance von Arzneimitteln aus dem Körper von Bedeutung, da so die Therapie beeinträchtigt werden oder Toxizität entstehen kann.“ Um Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Arzneimitteln und Chemikalien zu erforschen, entwickelte ihre Forschergruppe ein Portfolio an neuen und schnellen CYP-Assays auf Basis mikrofluidischer In-vitro-Technologien. Mit mikrofluidischen Assays ist das schnelle Screening von Stoffwechselinteraktionen möglich, was gleichzeitig erhebliche Kosten und Aufwand bei Biomaterialien senkt. Die zeitgenaue Entfernung von Reagenzien kann zudem mit Mikroreaktoren bestimmt werden, die im kontinuierlichen Durchfluss mit immobilisierten Enzymen arbeiten. Dies ermöglicht, anders als mit herkömmlichen statischen Assays, die Überwachung und Kontrolle von Enzymreaktionen. Vor allem kann so die zeitabhängige Wirkung chemischer Substanzen auf Stoffwechselenzyme untersucht werden sowie die Mechanismen ihrer Wechselwirkung. Neben mikrofluidischen Trennsystemen entwickelten die Forscher miniaturisierte Sensorelemente für bessere Leistung der Assays. Zudem trugen neue Polymermaterialien, Methoden und Immobilisierungsstrategien für Enzyme zur technologischen Entwicklung des CYP-Assays bei. Validiert wurde die Methode an handelsüblichen menschlichen Mikrosomen der Leber. „Anhand dieser echten menschlichen Matrizen konnten wir demonstrieren, wie sich die interindividuelle Variation bei der Expression von Stoffwechselenzymen auf die Clearance von Arzneimitteln auswirkt“, erklärt Dr. Sikanen.
Künftige Aussichten für den CYP-Assay
Laut Dr. Sikanen war die Mikrofluidiktechnologie das wichtigste Projektergebnis. „Die technischen Hürden hin zu diesem Ziel meisterten wir vor allem mit Hilfe der multidisziplinären Expertise meines Teams und dessen engagierter Forschungsarbeit“, betont sie. Mit einem ERC-PoC Grant (Proof-of-Concept-Förderpreis des Europäischen Forschungsrates) wurde das Projekt PreMeDosE von Dr. Sikanen bei der Kommerzialisierung einer der Technologien unterstützt, die im Rahmen von CUMTAS entwickelt wurden. Aufgrund der entscheidenden Rolle von CYP bei der Arzneimittel-Clearance lag der Schwerpunkt von CUMTAS zwar auf dem CYP-vermittelten Wirkstoffmetabolismus. Allerdings können mit dem Assay auch andere Enzymaktivitäten gemessen, die chemisch induzierte Hemmung von Stoffwechselenzymen analysiert und Modelle des Wirkstoffmetabolismus erstellt werden. Langfristig könnte die Technologie auch in der Arzneimittelforschung oder für Umweltprüfungen (z. B. Clearance von Arzneimittelrückständen bei anderen Arten) Einsatz finden. Im Prozess der Arzneimittelentwicklung kann der Assay dazu beitragen, unnötige Produktionskosten zu vermeiden, indem chemische Substanzen eliminiert werden, die mit hoher Wahrscheinlichkeit metabolische Interferenzen auslösen. Einfluss auf den Wirkstoffmetabolismus haben sowohl genetische Variationen als auch externe Faktoren wie Ernährung, Alter, Geschlecht und Krankheiten. Mit dem CUMTAS CYP-Assay könnte künftig bestimmt werden, wie sich diese Einflüsse auf die patientenspezifische Arzneimittel-Clearance auswirken. Vor allem aber ebnet er den Weg zur personalisierten Dosierung von Medikamenten und könnte so die Lebensqualität von Patienten verbessern wie auch Behandlungskosten senken.
Schlüsselbegriffe
CUMTAS, Cytochrom P450 (CYP), Assay, Enzym, Chemikalie, Mikrofluidik, Arzneimittel-Clearance, Wirkstoffmetabolismus, Toxizität