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Zellforschung

Künstliche Zellen aus Polymeren?

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LABORPRAXIS: Wo in der Medizin sollen die Polymersome eingesetzt werden und welche Voraussetzungen sind hierfür notwendig?

Gaitzsch: In der Medizin sollen Polymersome vor allem im Bereich der Wirkstofffreisetzung, also im Drug-Delivery-Bereich eingesetzt werden. Die Kernvoraussetzung ist hier natürlich, dass das Polymer nicht toxisch ist. Die größten Knackpunkte – wie immer bei Polymersomen – sind aber jene, die sich dann zeigen, wenn etwas durch die Membran transportiert werden soll, sprich wenn der Wirkstoff eingekapselt oder freigesetzt wird. Das Vesikelsystem muss dabei so gestaltet sein, dass anfangs viel Wirkstoff geladen und später gezielt freigesetzt werden kann. Dazu eignen sich pH-sensitive Systeme besonders gut. Die Sensitivität ist in Form einer tertiären Aminogruppe im eigentlich hydrophoben Teil des amphiphilen Block-Copolymers eingebaut. Befindet sich das Polymer nun in einer wässrigen, sauren Lösung, so ist der Stickstoff protoniert und damit positiv geladen, was das ganze Polymer hydrophil werden lässt. Nun kann ein wasserlöslicher Wirkstoff einfach in einer Lösung mit dem Polymer gemischt werden. Steigt der pH-Wert nun wieder an und der Stickstoff wird deprotoniert, ist das Polymer wieder amphiphil und es bilden sich Polymersome aus. Simultan dazu wird nun der Wirkstoff in die Vesikel oder deren Membran eingekapselt. Noch freier Wirkstoff muss im Folgenden entfernt werden, was aber aufgrund der hohen Stabilität von Polymersomen mit Druck-basierten Verfahren schnell und einfach möglich ist. Bei der Freisetzung läuft der gerade beschriebene Prozess umgekehrt ab. Das funktioniert deshalb sehr gut, weil die Polymersome nach der Zellaufnahme zunächst in Endosomen landen, welche einen niedrigeren pH-Wert als das Cytosol haben. Dort wird die Aminogruppe wieder protoniert, das Polymer wird durchgängig hydrophil und das Vesikel zerfällt, womit der Wirkstoff freigesetzt wird. Soll aber – was sehr typisch ist – nur ein bestimmter Zelltyp gezielt angegriffen werden, muss die Oberfläche der Polymersome mit Rezeptormolekülen modifiziert werden. Dafür gibt es schon diverse Varianten, die zumeist auf der Click-Chemie oder ähnlichen Reaktionen beruhen.

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LABORPRAXIS: Wo sehen Sie zukünftige Anwendungsbereiche?

Gaitzsch: Die erwähnte medizinische Anwendung sehe ich vor allem dann gegeben, wenn nachweisbar ist, was mit den freigesetzten Polymeren geschieht. Das ist derzeit meines Erachtens die größte Hürde, da bislang noch keine Langzeitdaten vorliegen. Im Vergleich dazu ist die Anwendung als Prototyp einer künstlichen Zelle, sprich als Nanoreaktor, recht vielversprechend, da hier zelluläre Prozesse einzeln nachgeahmt werden können und sich dadurch ein tieferes Verständnis für biochemische Prozesse ausbilden kann. Polymersome können also Werkzeuge für die synthetische Biologie oder Biochemie sein. Was ich mir ebenfalls sehr gut vorstellen kann, ist eine Anwendung in der organischen Chemie. Wenn das Polymersom mit einem Katalysator gefüllt ist, könnten mehrere Reaktionen einer Naturstoffsynthese als Eintopfreaktion gekoppelt und die Ausbeute so deutlich erhöht werden.

Vielen Dank für das Gespräch Herr Dr. Gaitzsch.

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