Langer, Klaus

German

Hochschulschriftenserver - Universität Frankfurt am Main

Liposomen (»lipos«, griechisch»Fett«; »soma«, griechisch »Körper«)sind kugelförmige Vesikel im Größenbe-reich einiger Nanometer bis Mikrometer,bei denen eine doppelschichtige Mem-bran aus Lipidbestandteilen einen wäss-rigen Kern einschliesst. Liposomen fin-den Anwendung in kosmetischen Präpa-raten und in der Medizin. Sie werdenauch in der Biotechnologie dazu genutzt,Fremdmaterial wie Erbinformationen inZellen einzuschleusen.■ 1Nanotechnologie bringt Arzneistoffe sicher ans ZielBessere Wirkung bei reduzierter Nebenwirkungtiges, sondern es handelt sich gewisser-maßen um feindliche Brüder, und es istdeshalb a priori viel schwerer, spezifi-sche Heilstoffe aufzufinden, die nurkranke Zellen treffen, ohne die gesun-den zu schädigen. (...)« Paul E. Ehrlich, 1913Seit diesen ersten ÜberlegungenEhrlichs wurden zahlreiche An-strengungen unternommen, Träger-systeme zu entwickeln, die eine ge-zielte Anreicherung des an sie ge-bundenen Arzneistoffs in den ge-wünschten Zielstrukturen des Kör-pers ermöglichen.Nanopartikel transportieren WirkstoffeEin viel versprechender Ansatz, ei-ne verstärkte Anreicherung vonArzneistoffen in den gewünschtenZielgeweben zu erreichen, ist hier-bei die Arzneistoffbindung an na-nostrukturierte Trägersysteme. Die-se Träger weisen eine Größe von ei-nigen Nanometern (10 –9m = einMillionstel Millimeter) auf und sinddamit deutlich kleiner (100–200-fach) als die Zellen des menschli-chen Körpers. Zu diesen Trägersys-temen zählen insbesondere kugel-förmige Liposomen und Nano-partikel. Aufgrund ihrer geringenGröße kann eine gezielte Anreiche-rung des an sie gebundenen Wirk-stoffs in Organen, Geweben odererkrankten Körperstellen und da-mit ein Drug Targeting erreichtwerden.Nanopartikel sind feste kolloida-le Arzneistoffträger: In die Teilchen-Cluster mit einer Größenordnungvon einem bis 1000 Nanometernwerden die Arzneistoffe entwedereingebettet oder an die Oberflächegebunden. Als Ausgangsmaterialiender Partikelherstellung können so-wohl synthetische Polymere alsauch natürliche MakromolekülewieProteine verwendet werden. Mitt-lerweile ermöglichen es die Arbeits-methoden der Nanotechnologie, diePartikelstrukturen auf der Nanoska-la maßzuschneidern, also auf derGrößenskala, auf der auch die intra-zellulären molekularen Prozesse ab-laufen. So können beispielsweise■ 1Forschung aktuell48 Forschung Frankfurt 4/2006Schon vor 100 Jahrenhatte Paul Ehrlich dieVision der»Zauberku-geln« fürdie Krebs-therapie. Da-mit meinte erArzneistoffe, diespezifisch aufKrebszellen wir-ken und gesundeZellen unbescha-det lassen. Ehrlichnahm an, dass jedeZelloberfläche mit spezi-fischen Rezeptoren ausgestat-tet ist, an die Biomoleküle nachdem »Schlüssel-Schloss-Prinzip«anbinden. Doch während sich die-ses Prinzip bei der Bekämpfung vonBakterien ausgezeichnet bewährte,konnte Ehrlich keine Fortschritte inder Krebstherapie erreichen. Mitder Entwicklung der medizinischenNanotechnologie und der Möglich-keit, Partikel zu manipulieren, dieweitaus kleiner sind als menschli-che Zellen, ist es der Pharmazeuti-schen Technologie in jüngster Zeitgelungen, Ehrlichs Vision zu reali-sieren.Aufbau von LiposomenLipidbestandteilehydrophiler (wasserliebender) Wirkstofflipophiler (fettliebender) WirkstoffWie »verpackt« man einen Arznei-stoff so, dass er als Medikament imKörper die gewünschte Wirkungentfaltet? Die verschiedenen Darrei-chungsformen – Tabletten, Kapselnoder Salben – haben einen verschie-denen Einfluss auf die Freisetzungdes enthaltenen Wirkstoffs. Gewähltwird diejenige Form, die eine opti-male Verfügbarkeit und damit Wir-kung im Körper erzielt. Bei den bekannten Darreichungsformen er-reicht aber letztlich nur ein Bruch-teil des verabreichten Arzneistoffsden gewünschten Wirkort. Der ver-bleibende Teil verteilt sich unspezi-fisch über den ganzen Körper undkann unerwünschte Nebenwirkun-gen hervorrufen, die die Lebens-qualität der betroffenen Patientenoftmals erheblich beeinträchtigen –etwa in der chemotherapeutischenBehandlung von Tumoren.Es ist daher ein lang gehegterWunsch der Pharmaforschung,Transportsysteme zu entwickeln,die den Arzneistoff durch so ge-nanntes »Drug Targeting« gezieltzum Ort der Erkrankung bringen.Bereits vor annähernd 100 Jahrenprägte der Pionier der Chemothera-pie, Paul Ehrlich, den Begriff der»Zauberkugeln«, inspiriert von ei-nem Besuch der Oper »Der Frei-schütz«. Gemeint waren damit nochzu findende Wirkstoffe, die eine se-lektive Erkennung und Zerstörungvon Tumorzellen ermöglichen:»(Der Stoff) würde in diesem Sinne ge-nau den Immunprodukten des Organis-mus entsprechen, die ihrerseits nach Artvon Zauberkugeln ihren Feind, die Pa-rasiten, isoliert treffen. (...) Die Tumor-zellen sind mithin, im Gegensatz zu demParasiten, nichts dem Körper Fremdar- UNI 2006/04 Teil 3  06.12.2006  17:54 Uhr  Seite 48unter Auswahl geeigneter Techni-ken Nanopartikel in einheitlicherGröße reproduzierbar hergestelltwerden. Nanopartikel im Reich der FresszellenBetrachtet man das Verhalten sol-cher nanostrukturierter Trägersyste-me nach Injektion in den Blutkreis-lauf, so werden Nanopartikel, derenOberfläche nicht weiter modifiziertwurde, schnell aus der Blutzirkula-tion entfernt und in den Zellen desMononukleären Phagozytensys-tems (MPS) angereichert. An die-sem »Abwehr-System« gegen kör-perfremde Eindringlinge wie Bakte-rien sind eine Vielzahl von Zellender Leber, Milz, Lunge, Lymphkno-ten und des Knochenmarks betei-ligt. Daher sind nanostrukturiertePartikel, die der Körper aufgrundihrer geringen Größe wie Bakterienbehandelt, prinzipiell geeignet, diean sie gebundenen Substanzen ge-zielt in alle Zellen des Mononukleä-ren Phagozytensystems (MPS) zutransportieren und dort freizuset-zen. Man bezeichnet diesen Prozessals passives Drug Targeting. Die aktive Aufnahme von Nano-partikeln durch Phagozytose konn-te im Laborversuch insbesondere inZellkulturen gezeigt werden . Wirverwendeten dazu reife Monozytenvon menschlichen Spendern, die inder Zellkultur zu Makrophagen(Fresszellen) heranreiften. Gab manzu der Mischung aus Monozytenund Makrophagen Nanopartikelhinzu, so wurden sie von den Fress-■ 3■ 2zellen aufgenommen. Somit kön-nen Zellen des MPS als potentielleZielzellen für Nanopartikel aufge-fasst werden.Im Gegensatz dazu versucht manbeim aktiven Drug Targeting, denArzneistoff gezielt auch in primärnicht zugänglichen Körperkompar-timenten anzureichern. Hierzu istes in einem ersten Schritt erforder-lich, Nanopartikel davor zu schüt-zen, von Phagozyten »angegriffen«beziehungsweise »verdaut« zu wer-den. Zu ihrem Schutz versieht mansie mit hydrophilen (wasserlieben-den) Oberflächenstrukturen, dienicht erwünschte Wechselwirkun-gen mit Nicht-Zielzellen minimie-ren. Dies kann durch Einführunghydrophiler sterischer Barrierenwie Polyethylenglykol (PEG) er-reicht werden. Diese Modifikationvermindert die Anlagerung vonkörpereigenen Proteinen, so ge-nannten Opsoninen, die das „An-docken“ der Phagozyten an Bakte-rienzellen erleichtern. Insofern wirddie „Überlebenszeit“ der Nanoparti-kel im Blut verlängert und ihre An-reicherung im MPS reduziert. Manerhält dadurch eine »lang zirkulie-rende« Partikelstruktur , die auchals »Stealth«-Technologie bezeich-net wird, weil diese Partikel uner-kannt (»stealth«, englisch »Heim-lichkeit«) von den Zellen des MPSim Körper zirkulieren können. Nanofähren erkennen TumorenDas lange Verweilen im Körper er-möglicht den Nanopartikeln, unter-schiedlich große Zellzwischenräu-me von gesundem und krankemGewebe aufzufinden, was ausge-nutzt wird, um über das Partikel-system Arzneistoffe in Tumoren an-zureichern. Nach langjähriger Ent-■ 4wicklung sind seit einiger Zeit ver-schiedene Arzneimittel auf Basisvon Liposomen auf dem Markt, diediese Technologie für eine stärkerzielgerichtete Behandlung von Tu-moren nutzen.Zur weiteren Optimierung kön-nen die entsprechenden Partikel-systeme in einem zweiten Schrittmit Erkennungsdomänen ausge-stattet werden, die ihnen das »An-docken« an spezifische Zelltypenermöglichen. Auf diese Weise er-reicht man eine zellspezifische An-reicherung des Trägersystems undseines Wirkstoffs . Solche Domä-nen werden auch als Drug Targe-ting-Liganden bezeichnet. Eine»lang zirkulierende und zielgerich-tete« Partikelstruktur wird hierbeiermöglicht. In den bisher beschrie-benen Versuchen hat man sich inder Mehrzahl der Fälle am mensch-lichen Immunsystem orientiert undAntikörper als Drug Targeting-Li-ganden eingesetzt.■ 4Forschung aktuell49 Forschung Frankfurt 4/2006Varianten eines Nanopartikelträgers für Arzneistoffe»Lang zirkulierende« und»zielgerichtete« Struktur»Lang zirkulierende«Struktur»Zielgerichtete« Struktur »Konventionelle« StrukturArzneistoff-MoleküleZell-spezifischeLigandenz.B. AntikörperPolymereNanopartikel-MatrixHydrophilePolymerkettenz.B. PEGMorphologie von Nanopartikeln aufBasis von humanem Serumalbumin(HSA): a) direkt nach der Herstellung;b) nach Aufreinigung durch Zentrifugati-on c) drei Nanopartikel aus b) in Vergrö-ßerung (Maßstab 200nm). ■ 2Transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Aufnahmedes Anheftens eines Nanopartikels an Pseudopodien (»Schein-füßchen«) eines Makrophagen (8300 fach vergrößert). DieseFüßchen ermöglichen es der Zelle, Nahrung oder, im Falle vonMakrophagen, Krankheitserreger aufzunehmen. ■ 3 a) b) c)SchematischeDarstellung einesmit Arzneistoff be-ladenen Nanopar-tikels: In Abhän-gigkeit von der ge-wählten Oberflä-chenmodifikationkann das Partikel-system in biolo-gischen SystemenunterschiedlicheEigenschaftenaufweisen.■ 4 UNI 2006/04 Teil 3  06.12.2006  17:54 Uhr  Seite 49Erfolgreich bei BrustkrebsEntsprechende Partikelsysteme, dieein aktives Drug Targeting ermögli-chen, entwickelt unsere Gruppe amInstitut für Pharmazeutische Tech-nologie der Universität Frankfurt.Diese Systeme basieren auf biode-gradierbaren Proteinen wie Albu-min oder Gelatine. Aus ihnen wirdeine Partikelmatrix aufgebaut, indie unterschiedliche Arzneistoffeeingebettet werden können. DieVerwendung von Proteinen für denAufbau der Partikelmatrix ermög-licht einen schnellen Abbau undlen wurden mit Partikeln behan-delt, die als Ligand den AntikörperTrastuzumab hatten. Wir konn-ten nachweisen, dass diese Ligan-den modifizierten Nanopartikel andas zelluläre HER2-Antigen binden.Nur Nanopartikel, die sowohl mitArzneistoff beladen waren als auchauf ihrer Oberfläche den passendenLiganden trugen, waren in der La-ge, den an sie gebundenen Arznei-stoff in den Brustkrebszellen anzu-reichern und freizusetzen.Ein universeller Ansatz für unterschiedlichste ErkrankungenEin einfacher Austausch der Ligan-den des Partikelsystems ermöglichtes, die Nanopartikel für unter-schiedliche Anwendungen maßzu-schneidern. So wurde in einemweiteren Projekt die Partikelober-fläche mit dem Liganden Apolipo-protein E (ApoE), einem Protein,das im Körper für den Transport■ 6■ 5Forschung aktuell50 Forschung Frankfurt 4/2006Drug Targeting mit LigandAntikörperTrastuzumabBlau markierter Arzneistoff5400 Millionen US Dollar. Anderenanotechnologische Aspekte, wiedie Entwicklung von Implantatenoder Produkten für die in vitro-Di-agnostik, werden gleichfalls ver-folgt.Fasst man die Betrachtungen zu-sammen, so ist es erklärtes Ziel vie-Das NanoNetzwerk Hessen wurdeim März 2004 mit der Unterstüt-zung der Minister Udo Corts undAlois Rhiel als eine Kooperations-vereinbarung zwischen den Präsi-denten der hessischen Hochschuleninitiiert. Das Netzwerk soll insbe-sondere dazu dienen, Aktivitäten inForschung und Lehre im BereichNanotechnologie inhaltlich abzu-stimmen, Geräte und Infrastrukturgemeinsam zu nutzen und unterder Bezeichnung »NanoNetzwerkHessen« gemeinsam öffentlich auf-zutreten. Im Verlauf des Jahres 2005 wurdein Absprache mit dem Wissen-schaftsministerium ein Konzept zurGestaltung der Nanotechnologie inHessen ausgearbeitet, in dem alle hessischen Universi-täten und Fachhochschulen in vier »regional clus-ters« (Nord-, Mittelhessen, Frankfurt und Südhessen)zusammengefasst sind. Im Sommer dieses Jahres hatdas Wissenschaftsministerium diesen gemeinsamenAntrag durch international ausgewiesene Fachgut-achter positiv evaluiert und bereits für das laufendeJahr erhebliche Mittel zugesprochen. Hierbei wurdeder Frankfurter Beitrag besonders gewürdigt und derJohann Wolfgang Goethe-Universität ein Betrag voninsgesamt eine Million Euro für den Ausbau der na-notechnologischen Infrastruktur bewilligt. In der Nanotechnologie ist die Universität Frankfurtäußerst aktiv – sowohl in den Material- als auch inden Lebenswissenschaften. In der Materialwissen-schaft liegt ein wichtiger Schwerpunkt in der Präpara-tion von nanostrukturierten, so genannten elektro-nisch niedrigdimensionalen Festkörpern, die durchQuanteneffekte interessante magnetische und elektri-sche Eigenschaften erhalten – wie zum Beispiel Supra-leitfähigkeit. Diese Projekte werden derzeit innerhalbeiner DFG-Forschergruppe gefördert. Im Rahmen ei-nes Europäischen »Network of Excellence« werdenzudem komplexe Cluster-Verbindungen intermetalli-scher Phasen im Hinblick auf einzigartige Kombinatio-nen von Materialeigenschaften (Härte, Benetzbarkeitet cetera) untersucht. In der Lebenswissenschaft wirddie Nanotechnologie zur Herstellung von Nanoparti-keln eingesetzt, die als Träger von Arzneistoffen bei derBekämpfung von Tumoren dienen, wie von Privatdo-zent Dr. Klaus Langer hier beschrieben. Ein weitererwichtiger Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklungvon Methoden, um Proteine funktional in nanoskali-gen Dimensionen auf Oberflächen zu organisieren.Diese biochemischen Hybridverbindungen werden in-nerhalb einer DFG-Forschergruppe mit der Philipps-Universität Marburg gefördert. Ziel dieser Projekte istes, biochemische Analysen auf Einzelmolekülebenemit minimalen Substanzmengen und höchster Paral-lelität durchzuführen. Solche Techniken sind essen-ziell, um den Herausforderungen einer immer kom-plexeren medizinischen Diagnostik gerecht zu werden. Der Ausbau dieses innovativen Forschungszweigs mithohem Wirtschaftspotenzial gelingt ab 2007 dank dreineuen, vom BMBF im Rahmen der Initiative »Nano-biotechnologie« finanzierten Verbundvorhaben an derJohann Wolfgang Goethe-Universität.Die AutorenProf. Dr. Jacob Piehler und Prof. Dr. Robert Tampé, Institut für BiochemieYZ»Think small« – NanoNetzwerk HessenDie Aufnahmezeigt Protein-Chips mit Nano-kavitäten. Die Auf-nahme (1µm×1µm) wurde mit-tels Raster-Son-den-Mikroskopieerhalten.SchematischeDarstellung einesmit einem blaumarkierten Arznei-stoff beladenenNanopartikels, derauf der Oberflächeden AntikörperTrastuzumab alsDrug Targeting-Li-gand gebundenaufweist (nichtmaßstabsgerecht).■ 5damit eine zügige Freisetzung derWirkstoffe aus den Nanopartikeln,nachdem diese von Zellen aufge-nommen wurden. Weil die Protein-Nanopartikel im Körper abgebautwerden können, wird ihre Akku-mulation vermieden. Damit ist einviel diskutiertes Risiko des Einsatzesvon Nanostrukturen in der Phar-makologie ausgeschlossen.Mit Hilfe der Proteinchemie stat-ten wir die Oberfläche der Nano-partikel mit unterschiedlichen zell-spezifischen Liganden aus. Auf die-se Weise modifizierte Nanopartikelund die an sie gebundenen Arznei-stoffe können dann zielgerichtet inunterschiedlichsten Zellsystemenangereichert werden. So haben wirin Kooperation mit der AbteilungMolekulare Gynäkologie der Frau-enklinik Frankfurt die zellspezifi-sche Anreicherung von Nanoparti-keln in Brustkrebszellen unter-sucht, die das Antigen HER2 aufihrer Oberfläche tragen. Diese Zel- UNI 2006/04 Teil 3  06.12.2006  17:54 Uhr  Seite 50Forschung aktuell51 Forschung Frankfurt 4/2006von Cholesterol und Fetten überden Blutstrom auch in das Gehirngenutzt wird, ausgestattet. DiesePartikel waren in einem Tiermodellin der Lage, ein Schmerzmittel überdie Blut-Hirn-Schranke zu trans-portieren, welches ohne Transport-system diese physiologische Barrie-re nicht überwinden kann. DieseErgebnisse machen Hoffnung, einemedikamentöse Therapie von Ge-hirntumoren zu ermöglichen, diebisher mit etablierten Darreichungs-formen nicht erreicht werden kann.In Kooperation mit Unterneh-men der pharmazeutischen Indus-trie bauen wir diese viel verspre-chenden Ansätze weiter aus. Sowird im Rahmen des Bundesminis-terium für Bildung und Forschung-Verbundprojekts »NanopartikuläreArzneistoffsysteme für die gezielteTumortherapie (NanoDrug)« – un-ter Leitung unseres Instituts – anNanopartikel-basierten Transport-systemen für Chemotherapeutikagearbeitet. In dem Forschungsver-bund arbeiten neben mehreren In-stituten der Universität Frankfurt(Pharmazeutische Technologie, Bio-physik und Medizinische Virologie)als Industriepartner das Pharmaun-ternehmen Merck KGaA in Darm-stadt sowie das Fraunhofer Institutfür Biomedizinische Technik in St.Ingbert. Angestrebt wird die Erfor-schung von nanopartikulären For-mulierungen auf Basis von anti-tu-moralen Antikörpern.Nanomedizin-Aktivitäten aus Sicht des MarktsDie medizinische Nanotechnologieist nicht nur ein Gebiet der Grund-lagenforschung. Dies wird verdeut-licht, wenn man einen Blick auf dieaktuellen kommerziellen For-schungsaktivitäten im Bereich Na-nomedizin richtet. Betrachtet mandie weltweiten Aktivitäten in die-sem Forschungsbereich, so kannman feststellen, dass mehr als 50Prozent der über 200 in diesem Be-reich aktiven Unternehmen mit ih-ren Ansätzen die Entwicklung vonWirkstoff-Transport-Systemen an-streben. Der Umsatz mit Nanomedi-zin-Produkten im Bereich Wirk-stofftransport lag im Jahr 2004 bei5400 Millionen US Dollar. Anderenanotechnologische Aspekte, wiedie Entwicklung von Implantatenoder Produkten für die in vitro-Diag-nostik, werden gleichfalls verfolgt.Fasst man die Betrachtungen zu-sammen, so ist es erklärtes Ziel vie-ler Entwicklungen, die medizinischeNanotechnologie für das Prinzip desDrug Targetings zu nutzen, um einefür den Patienten optimierte Thera-pie mit erhöhter Wirksamkeit beigleichzeitig reduzierten Nebenwir-kungen zu erreichen. Obwohl PaulEhrlichs Idee der »Zauberkugeln«bereits vor annähernd 100 Jahrenformuliert wurde, erscheinterst zumgegenwärtigen Zeitpunktdurch dieNanotechnologie eine viel verspre-chende Umsetzung dieses Gedan-kens in greifbare Nähe zu rücken. ◆Der AutorPrivatdozent Dr. Klaus Langer, 39, be-schäftigt sich seit 1993 als wissen-schaftlicher Assistent am Institut fürPharmazeutische Technologie mit derEntwicklung nanostrukturierter Partikel-systeme. Für ein Forschungsprojekt zurUntersuchung der Wechselwirkung die-ser Partikel mit Zellsystemen wurde er2003 mit dem Adolf-Messer-Stiftungs-preis ausgezeichnet. In Zusammenarbeitmit pharmazeutischen Unternehmen er-forscht er nanostrukturierter Trägersyste-me für unterschiedliche Arzneistoffe.Konfokalmikro-skopische (CLSM)Darstellung derAnreicherung ei-nes blau markier-ten Arzneistoffs inBrustkrebszellen(rot) mittels Albu-min-Nanoparti-keln: a) Nanopar-tikel ohne Arznei-stoff mit Ligand,b) Nanopartikelmit Arzneistoffund Ligand, c)Nanopartikel mitArzneistoff ohneLigand.■ 620µmb)20µmc)20µma)Anzeige UNI 2006/04 Teil 3  06.12.2006  17:55 Uhr  Seite 51

Nanotechnologie bringt Arzneistoffe sicher ans Ziel : bessere Wirkung bei reduzierter Nebenwirkung

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