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Modelle für die Augenheilkunde Wirkstoffentwicklung im Auge des Betrachters

| Autor / Redakteur: Prof. Marc Brown, Dr Jeremy Drummond, Jon Volmer* / Christian Lüttmann

Das Auge ist gegen Eintritt von unerwünschten Stoffen durch diverse Barrieren gut geschützt. Für die Pharmazie eine besondere Herausforderung, sind doch auch Wirkstoffe z.B. aus Augentropfen von diesen Barrieren betroffen. Gewebekulturmodelle helfen dabei, Arzneimittel für das Auge zu optimieren.

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Abb.1.: Das menschliche Auge schützt sich mit Tränenfluss und verschiedenen Barrieren gegen eindringende Fremdstoffe.
Abb.1.: Das menschliche Auge schützt sich mit Tränenfluss und verschiedenen Barrieren gegen eindringende Fremdstoffe.
(Bild: ©fotomowo - stock.adobe.com_[M]-Frank)

Sehen ist für die meisten Menschen der wichtigste Sinn, um die Umwelt wahrzunehmen. Vom Aufwachen bis zum einschlafen werden die visuellen Reize lediglich von unmerklichem Wimpernschlag unterbrochen. Die Lebensqualität ist daher stark von der Augengesundheit und der Sehkraft abhängig. Mit der steigenden Lebenserwartung und zunehmend alternden Bevölkerung kommt der Entwicklung von Arzneimitteln gegen Augenerkrankungen wie Glaukom und trockenen Augen eine zunehmende Bedeutung zu. Der ophthalmologische Bereich, also die Augenheilkunde, ist daher weltweit zu einem 23 Mrd. US-Dollar Umsatz starken Markt gewachsen [1]. Aktuell gibt es über 2500 laufende klinische Studien zu neuen Ophthalmika, also Arzneimitteln für Augenerkrankungen [2].

Das Auge als Pforte für Arzneimittel

Um Wirkstoffe in das eigenständige Organ Auge zu verabreichen, sind vor allem zwei Methoden gängig. Zum einen die Verabreichung direkt über die Augenschleimhaut (topische Verabreichung), z.B. in Form von Augentropfen, zum anderen die Injektion in den Glaskörper des Auges. Topische Methoden können Patienten üblicherweise selbst oder mithilfe von Freunden oder Angehörigen durchführen, was aus Patientensicht unschlagbare Vorteile gegenüber einer Injektion bietet. Für die Entwicklung einer neuen topischen Formulierung ergeben sich allerdings spezifische Herausforderungen. Denn wie jede andere Oberfläche des Körpers, hat sich auch das Auge so entwickelt, dass es das Eindringen von fremden Molekülen und Partikeln verhindert. Dies macht die topische Verabreichung besonders anspruchsvoll.

Will man ein neues Medikament zur Direktanwendung im Auge entwickeln, so ist ein grundlegendes Verständnis der komplexen, mehrschichtigen Beschaffenheit der Augenoberfläche unerlässlich. Nur mit diesem Fachwissens lassen sich Modelle der „Barriere“ Augenschleimhaut entwickeln, um neue Formulierungen zu verbessern und deren klinischen Erfolg zu ermöglichen.

Barrieren beim Wirkstofftransport

Abb.2: Aufbau des menschlichen Auges mit den verschiedenen „Barrieren“
Abb.2: Aufbau des menschlichen Auges mit den verschiedenen „Barrieren“
(Bild: BioPharm)

Von der Oberfläche des Auges bis ins Innere des Glaskörpers hat ein Wirkstoff eine Reihe von Barrieren zu überwinden (vgl. Abb. 2). Als erstes Hindernis steht die Glykokalyx im Weg, eine 200 bis 500 nm dicke, wohlgeordnete Schicht über dem Hornhautepithel [3]. Ihre langkettigen Moleküle bestehen aus einem hydrophilen Netz aus Hornhautzellen und stellen eine entscheidende Barriere für die Wirkstoffabgabe dar: Die wasserbindenden Eigenschaften können aber auch von Vorteil sein, etwa wenn man Glykokalyx als Depotplattform nutzbar macht, um Arzneimittel in der Nähe des Hornhautepithels zu halten.

Die nächste Barriere liegt direkt unter der Glykokalyx: die Hornhaut. Sie besteht aus den drei Einzelschichten Epithel, Stroma und Endothel. Obwohl das Epithel die kleinste der drei Hornhaut-Barrieren ist, bildet es aufgrund seines lipophilen Charakters eine robuste Grenze – auch, weil die Zellen dort besonders eng miteinander verbunden sind (Tight Junctions) und somit wenig Platz für interzelluläre Diffusion lassen. Darüber hinaus stellen Epithelzellen der Hornhaut eine Reihe von ABC-Transportern bereit, die zu den aktivsten Elementen der Hornhautbarriere zählen. Diese Pumpen entfernen organische Anionen, konjugierte Verbindungen und lipophile Moleküle aus dem Zytoplasma der Hornhaut-Epithelzellen – für die Wirkstoffabgabe ist das eine eher ungünstige Ausgangslage.

Auf das Epithel folgt das Stroma, das mit fast 90% den Hauptteil der gesamten Hornhautdicke ausmacht. Im Gegensatz zum Epithel ist es stark hydrophil. Diese unterschiedlichen Eigenschaften der Barrieren müssen während der Optimierung der Arzneimittelstruktur berücksichtigt werden. Sie können aber auch eine Chance sein, um Wirkstoffe gezielt in ein bestimmtes Kompartiment zu verabreichen.

Den inneren Abschluss der Hornhaut bildet das Endothel. Es trennt das Stroma vom vorderen Augensegment. Im Vergleich zu den anderen zwei Hornhautsegmenten ist diese Schicht eher durchlässig in Bezug auf Zell-Zell-Interaktionen und stellt daher nur eine äußerst schwache Barriere dar.

Tränen erschweren Wirkstoffabgabe

Die Struktur der Barriere „Augenoberfläche“ zu verstehen, ist wichtig, um Wirkstoffe gezielt zu ihrem Wirkungsort zu führen. Doch schon beim Auftragen der Medikamente auf das Auge beginnen die Herausforderungen: Mit schwungvollem Lidschlag und Tränenfluss schützt es sich zusätzlich gegen Fremdstoffe. Der Abtransport eines medizinischen Produktes wie Augentropfen setzt also ein, sobald die Formulierung aufgetragen wurde. Die Lidschlagreaktion kann den Abtransport erheblich verstärken, was potenziell zu einer Gesamtkontaktzeit des Arzneimittels mit der absorbierenden Oberfläche des Auges von fünf Minuten oder weniger führt [4].

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Tränenvolumen

Wichtig bei der Rezeptur von Augentropfen ist auch das Fassungsvermögen des Auges: Üblicherweise ist es mit etwa 7 µl natürlichem Tränenvolumen bedeckt, wobei die Oberfläche des freiliegenden Auges rund 30 µl aufnehmen kann, ehe es zum Überfließen kommt. Eine sinnvolle topische Anwendung beschränkt sich daher auf ca. 23 µl, da ein größeres Volumen direkt wieder aus dem Auge herausfließen würde. In der Regel ist das normale Tränenvolumen innerhalb von zwei bis drei Minuten wiederher­gestellt.

Um zu prüfen, wie neu entwickelte Arzneimittelformulierungen die verschiedenen Barrieren des Auges überwinden, sind In-vitro- und Ex-vivo-Modelle wichtige Werkzeuge. So wendet die pharmazeutische Industrie seit vielen Jahren Modelle an, die auf Ex-vivo-Hornhautgewebe basieren und bei denen die Augenoberfläche mit künstlicher Tränenflüssigkeit versetzt wird, um die reale Situation im biologischen Auge bestmöglich nachzubilden. In modifizierten und validierten Diffusionszellen lässt sich daran die Penetration und Permeation eines Wirkstoffs durch die Barriere des Auges untersuchen. Bei der Methodenentwicklung nutzt man üblicherweise tierisches Hornhautgewebe, während humanes Hornhautgewebe nur bei abschließenden Versuchen zum Einsatz kommt. Solche Versuche geben Anhaltspunkte für die richtige Dosierung und für die Effektivität der Wirkstoffabgabe.

Sowohl bei Verwendung von tierischem als auch humanem Gewebe haben diese Leistungsmodelle den Vorteil, dass sie alle groben anatomischen Eigenschaften des echten Gewebes besitzen. Jedoch ist zu berücksichtigen, dass manche Barrierefunktionen auf aktive Prozesse zurückzuführen sind, die in dem isolierten Gewebe fehlen.

Gezüchtete Hornhaut – sehr nah am Original

Abb.3: Gewebemodelle der Augenhornhaut lassen sich in einem solchen Transwell kultivieren.
Abb.3: Gewebemodelle der Augenhornhaut lassen sich in einem solchen Transwell kultivieren.
(Bild: BioPharm)

Da frisches, gesundes Augengewebe nur in begrenztem Umfang schnell verfügbar ist, sind Biologen zunehmend auf Gewebekulturmodelle angewiesen, die auf primären Hornhaut-Epithelzellen basieren und als alternatives Substitut ein funktionelles, gut ausdifferenziertes Epithel bilden. Zur Entwicklung dieser Gewebekulturmodelle werden Hornhaut-Epithelzellen in Transwells (Abb. 3) auf einer Membran kultiviert, die auf der Oberfläche des Zellkulturmediums aufliegt. Die Zellen sind auf der außenliegenden Seite Luft ausgesetzt und auf der anderen Seite in Kontakt mit dem Medium. Diese polarisierte Kultur fördert die Bildung von engen Zellverbindungen, so genannten Tight Junctions. Zudem begünstigt sie die Produktion von entsprechenden Strukturproteinen oder anderen Oberflächenproteinen und stärkt die Bildung einer Barriere, die in ihrer Funktion mit der eines intakten Hornhautepithels nahezu identisch ist. Der transepitheliale Widerstand von solchen gezüchteten Zellen ähnelt dem von nativem Hornhautgewebe, was auf das Vorhandensein von funktionellen Tight Junctions hindeutet [5]. Solche Modelle ermöglichen ein relativ schnelles Testen mehrerer Arzneimittel und Formulierungen.

Fazit: Modelle für kostengünstiges Screening

Die einzigartige Beschaffenheit der Epithelbarriere im Auge stellt große Herausforderungen an die Entwicklung wirksamer Therapien bei Augenerkrankungen. Durch den Einsatz und die Entwicklung zunehmend relevanter In-vitro- und Ex-vivo-Modelle, lassen sich alle damit verbundenen Risiken reduzieren. Daher können solche Modelle als kostengünstige Screening-Methode zur Auswahl von Arzneistoff-Kandidaten und Identifizierung der optimalen Formulierung herangezogen werden, bevor umfangreiche Investitionen in ihre klinische Bewertung getätigt werden. Dies bietet beim Testen einer großen Anzahl von Formulierungen einen erheblichen Vorteil gegenüber In-vivo-Tiermodellen. Angesichts der weiterhin wachsenden Nachfrage nach Ophthalmika, wird auch der Bedarf an diesen Modellen steigen. Sie nehmen eine wichtige Rolle bei der Risikominderung und der Reduzierung von Entwicklungskosten und -dauern für diese Produkte ein und helfen, derzeit ungedeckte medizinische Bedürfnisse zu erfüllen.

Literatur

  • [2] BioPharm Insights Database analysis December 2018
  • [3] Argüeso P, Glycobiology of the ocular surface: mucins and lectins. Jpn J Ophthalmol. 2013 Mar;57(2):150-5
  • [4] Ghate D1, Edelhauser HF., Barriers to glaucoma drug delivery, J Glaucoma. 2008 Mar;17(2):147-56
  • [5] Barar J1, Asadi M, Mortazavi-Tabatabaei SA, Omidi Y. Ocular Drug Delivery; Impact of in vitro Cell Culture Models. J Ophthalmic Vis Res. 2009 Oct;4(4):238-52

* Prof. M. Brown, Dr J. Drummond, J. Volmer, Med Pharm, GU2 7AB Guildford/UK

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