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Zellforschung Künstliche Zellen aus Polymeren?

Autor / Redakteur: Das Gespräch führte LP-Chefredakteur Marc Platthaus / Dr. Ilka Ottleben

Liposomen sind hinlänglich bekannte Strukturen. Was es jedoch mit Polymersomen auf sich hat, erläutert Dr. Jens Gaitzsch im LP-Interview.

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(Bild: Jens Gaitzsch)

LABORPRAXIS: Herr Dr. Gaitzsch, was sind Polymersome?

Dr. Jens Gaitzsch: Kurz gesagt sind Polymersome die polymeren Analoga zu den Liposomen. Liposome, also Vesikel mit einer Lipid-Doppelschicht, sind in der Natur beispielsweise als zelluläre Vesikel weit verbreitet und damit natürlich ein lohnendes Zielobjekt für die synthetische Biologie. Es ist nun Ziel der Forschung, solche Vesikel auf Polymerbasis nachzuahmen und so künstliche Nanoreaktoren oder Transportvehikel herzustellen.

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LABORPRAXIS: Wie sind sie aufgebaut und welche Vorteile bieten sie gegenüber ihren natürlichen Vorbildern?

Gaitzsch: Vom Aufbau her ähneln sie den Liposomen natürlich stark. Sie sind nun aber von einer polymeren Doppelschicht umgeben anstatt einer aus Lipiden. Genau wie Lipide müssen die einzelnen Polymerketten einen getrennten hydrophilen und hydrophoben Bereich haben, also amphiphile Block-Copolymere sein. Damit diese nun gezielt ein Polymersom und keine Mizelle oder einen Wurm ausbilden, muss das Blocklängenverhältnis zwischen beiden Teilen gezielt eingestellt werden, was auch heißt, dass die Makromoleküle eng verteilt sein müssen. Hierin liegt die größte synthetische Herausforderung, das Verhältnis für das verwendete Polymersystem zu finden und einzustellen. Wenn die Doppelschicht-Membran dann einmal geformt wurde, bietet sie einige Vorteile gegenüber ihren natürlichen Vorbildern. Diese ergeben sich vor allem durch die deutlich längeren Moleküle – ein Makromolekül wiegt 10 bis 100 kDa aber ein Lipid nur ca. 0,6 bis 0,8 kDa. Damit sind die polymeren Membranen um einiges stabiler gegen chemische oder mechanische äußere Einflüsse und auch unter nicht physiologischen Bedingungen längere Zeit stabil. Ein weiterer Vorteil zeigt sich darin, dass man über die Vielzahl an möglichen polymeren Bausteinen die Eigenschaften der Polymersome, also Temperatur-, pH, oder Redoxstabilität sehr genau wählen und für spezifische Anwendungen einstellen kann.

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.

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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