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Intelligentes molekulares Verabreichungssystem wechselt je nach Umweltbedingungen zwischen Aktivität und Ruhe

Eine kontrollierte Freisetzung ist bei biomedizinischen und agrochemischen Verabreichungsmethoden erwünscht: sowohl für eine maximale Wirksamkeit als auch um unspezifische Nebenwirkungen zu vermeiden. Ein europäisches Forschungsteam hat nun eine innovative Plattform für die kontrollierte Freisetzung entwickelt, die sich entsprechend den Veränderungen im pH-Wert dynamisch aktivieren oder deaktivieren kann.

Gesundheit

Der Begriff der Selbstverbrennung bezeichnet in der Chemie den chemischen kaskadierenden Aufbruch von Verbindungen in ihre Bestandteile, vergleichbar mit dem Abbrennen einer Zündschnur. Für Systeme zur kontrollierten Freisetzung von Wirkstoffen, in der biologischen Bildgebung und für Nährstoff- oder Pestizidabgabe in der Landwirtschaft hat dieser Prozess großes Forschungsinteresse geweckt. Zusätzlich wären Anwendungen in der Entwicklung abbaubarer Polymere wie Kunststoff, Beschichtungen oder Nanopartikel denkbar.

Kontrollierte Selbstverbrennung je nach pH-Wert

Verbindungen, die sich selbst verbrennen können, haben eine chemische Verknüpfung, die eine per Stimulus spaltbare Schutzgruppe – den „Trigger“– mit einem „lasttragenden“ Molekül verbindet, zum Beispiel einem Wirkstoff. Wird ein passender Stimulus empfangen, beispielsweise pH-Wert, Temperatur oder Enzyme, dient die Verknüpfung dazu, das Auslösen des Triggers zu beschleunigen. Die sterischen und chemischen Eigenschaften der Verknüpfung bestimmen die Kinetik der Selbstverbrennung, denn sobald diese aktiviert wird, kommt es unabhängig von den Umweltbedingungen zu einer unaufhaltsamen Freisetzung der Last. Ein Ziel des im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen geförderten Projekts Multi-SIP Hydrogel war, die Kinetik der Selbstverbrennung mit Hilfe externer Stimuli zu steuern. „Wir wollten die Abbaureaktion der Verknüpfung und damit auch die Freisetzung der Last, je nach einem bestimmten flüchtigen oder veränderlichen Reiz kontrollieren“, erklärt der Marie-Skłodowska-Curie-Forschungsstipendiat Derrick Roberts. Das Projekt war eine Zusammenarbeit des Karolinska-Instituts und der Gruppe von Professorin Molly Stevens am Imperial College London. Das Team nutzte die Tatsache, dass selbstverbrennende Verknüpfungen Residuen enthalten, die sensibel auf Veränderungen im Säuregrad reagieren. Die Forschenden synthetisierten also Verknüpfungen, deren Selbstverbrennungskaskade – und damit auch die Freisetzung der Last – je nach Säuregrad der Umgebung unterbrochen und neu gestartet werden kann.

Optimierte Verknüpfungen für zukünftige Anwendungen

Die abbaubare Gestaltung der Verknüpfung macht es möglich, dass die Selbstverbrennungskaskade problemlos an- und ausgeschaltet werden kann. Dadurch wird sichergestellt, dass die Last nur bei spezifischen Umweltbedingungen freigesetzt wird. Das ist für diesen Forschungsbereich eine immense Innovation, denn eine derart genaue, dynamische pH-Wert-Steuerung der Lastfreisetzung konnte bisher noch nie explizit demonstriert werden. Diese Arbeiten eröffnen vor allem mögliche biologische Anwendungen in Situationen, in denen Änderungen im pH-Wert die Freisetzung von Wirkstoffen auslösen. Bei der Wundheilung könnte beispielsweise eine pH-responsive selbstverbrennende Verknüpfung für eine anfänglich schnelle Freisetzung sorgen, während danach Dämpfung und erneute Aktivierung folgen, je nachdem, was die Wunde braucht. Das Risiko einer Überdosierung wäre damit gleich Null. Selbstverbrennende Verknüpfungen könnten auch kombiniert werden, um spezielle Typen schnell abbaubarer Polymere zu bilden. Konventionelle abbaubare Polymere brechen nämlich im Vergleich über einen wesentlich längeren Zeitraum in kleinere Stücke auf, weil bei ihrem Abbau kein Kaskadenmechanismus abläuft. „Um unsere Verknüpfung effizient in biologischen Anwendungen einsetzen zu können, müssen Wasserlöslichkeit, das pH-Reaktionsspektrum und die Zytotoxizität der Selbstverbrennungsprodukte noch optimiert werden“, betont Roberts. Genau damit befasst sich die neu gegründete Gruppe an der Universität Sydney, in der er parallel Anwendungsmöglichkeiten der selbstverbrennenden Verknüpfungen in Bereichen wie Landwirtschaft und reizsensitive Beschichtungen untersucht. Sein Nachwuchsforscherstipendium vom australischen Forschungsrat nutzt er, um mit selbstverbrennenden Verknüpfungen und Polymeren kontrollierte morphologische Transformationen selbstorganisierender Polymer-Nanopartikel auszulösen. Seine Vision: „Kontrolle der Morphologie von Nanopartikeln – und damit auch ihrer Funktion – um die Entwicklung neuer reizsensitiver Nanotechnologien voranzubringen.“

Schlüsselbegriffe

Multi-SIP Hydrogel, Verknüpfung, Selbstverbrennung, Wirkstoff, kontrollierte Freisetzung, Nanopartikel

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