Mehrere Wirkstoffe in einem Medikament – dank künstlicher DNA

Dass Patienten mehrere Wirkstoffe einnehmen müssen, zu unterschiedlichen Zeiten, ist nichts Ungewöhnliches. Auch dass mehrere Wirkstoffe in Kombination in einem Medikament gegeben werden können, ist wenig überraschend. Neu allerdings ist eine Methode, mit der sehr spezifisch derzeit bis zu drei verschiedene Wirkstoffe in einer Gabe verabreicht werden können, die passgenau nacheinander in vorgegebener Reihenfolge und zu vorgegebenem Zeitpunkt freigesetzt werden.

Der Professor für Biomechanik Oliver Lieleg an der Munich School of BioEngineering an der Technischen Universität München und seine Doktorandin Ceren Kimna haben jetzt die Ergebnisse ihrer Arbeit an dem neuentwickelten Verfahren veröffentlicht (Engineering an orchestrated release avalanche from hydrogels using DNA-nanotechnology): Sie verwenden dazu eine Kombination aus Hydrogelen, künstlicher DNA und Nanopartikeln. „So könnte zum Beispiel eine Salbe, die auf eine Operationswunde aufgetragen wird, Schmerzmittel, Entzündungshemmer und abschwellend wirkendes Mittel nacheinander freisetzen“, erklärt Lieleg das Prinzip. Herkömmliche Präparate, die ihre Wirkstoffe retardiert, also verzögert freisetzen, könnten im Gegensatz zum Verfahren der Münchener nicht garantieren, „dass nicht zeitweise mehrere Wirkstoffe gleichzeitig in den Organismus gelangen“, sagt der Professor.

Als zweite „Schicht“ sollten in dem Modellversuch die Eisenoxid-Partikel freigesetzt werden. Diese waren durch zwei Arten von DNA verbunden, wobei die eine an einem Ende mit den Partikeln verbunden war während die andere DNA die Abschnitte miteinander verband. Diese Verbindung ist von der Salzkonzentration unabhängig. Die in der ersten Schicht von den Silberpartikeln freigesetzten DNA-Stücke verdrängen schließlich die Verbindungs-DNA und setzen so zeitlich nach dem Silber das Eisenoxid frei.

In der dritten Phase verdrängt wiederum die freigesetzte Verbindungs-DNA der Eisenoxid-Schicht nun spezifisch die Verbindungs-DNA der Gold-Phase, welches als dritter Modell-Wirkstoff zeitlich als letztes freigesetzt wird.

„Bisher hatten unsere Versuche eher Modellcharakter, da die verwendeten metallischen Nanopartikel zwar vergleichbare Größen wie typische Wirkstoffträgerpartikel besitzen, aber – mit Ausnahme der Silberpartikel – keine pharmakologisch relevanten Substanzen freisetzen“, sagt Lieleg. „Das von uns entwickelte Wirkprinzip der DNA-vermittelten sequenziellen Freisetzung von Nanopartikeln aus einem Gel lässt sich aber problemlos auf andere Partikel übertragen, sofern diese mit DNA-Sequenzen beschichtet werden können“, erklärt der Professor. Solche Partikel könnten etwa Liposome oder Biopolymere sein, die sich mit Wirkstoffen beladen ließen.

„Als nächstes wollen wir realistische Wirkstoffträgerpartikel für unsere Freisetzungskaskade verwenden. Wir hoffen, dass unser Mechanismus auch mit solchen biologischen Partikeln ähnlich effizient und präzise funktioniert wie bisher mit den metallischen Modellpartikeln“, sagt er. Ferner wolle man den DNA-vermittelten Mechanismus mit anderen Mechanismen zur kontrollierten Freisetzung von Molekülen kombinieren, „um vollautomatisierte, nach einem bestimmten Schema vorprogrammierte Freisetzungskaskaden zu ermöglichen“.

Als Initiator der Freisetzung gab es auch bereits Experimente mit unterschiedlichem osmotischem Druck. „Die Möglichkeit, Unterschiede im pH-Wert des umgebenden Milieus zu nutzen, ist sicherlich auch interessant. Dazu haben wir Ideen, diese haben wir allerdings noch nicht getestet“, sagt Lieleg.

Salben seien derzeit durch ihre Konsistenz für den Ansatz mit Hydrogel eine mögliche Applikation. „Das Prinzip könnte in Zukunft aber auch in Tabletten zum Einsatz kommen, die im Körper mehrere Wirkstoffe nacheinander abgeben“, sagt der Forscher.