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Krebs: "Intelligente Medikamentenabgabe" ist auf dem Weg

Neue Forschungen ebnen den Weg für die Abgabe von Krebsmedikamenten in Tumoren mit einer bisher unerreichten Präzision.


Ein neues Medikamentenabgabesystem bietet nie zuvor gesehene Präzision.

Das neue "intelligente Medikamentenabgabesystem" verwendet eine Nanokapsel, die ihre Medikamentenladung nur dann entlädt, wenn sie zwei Tumorsignale in der richtigen Reihenfolge trifft.

Ein "Proof-of-Principle" -Papier - jetzt in der Zeitschrift veröffentlicht Chemische Wissenschaft - beschreibt, wie das System erfolgreich auf eine Folge von zwei Zuständen reagiert hat, die in Tumoren auftreten.

Die erste Bedingung war ein Anstieg des Säuregehaltes über eine bestimmte Schwelle und die zweite war das Vorhandensein einer Substanz namens Glutathion, deren Spiegel bei bestimmten Tumorarten höher sind.

Wenn diese beiden Bedingungen erfüllt werden, wird die Nanokapsel in dieser exakten Reihenfolge darüber informiert, dass sie sich in einer "mehrstufigen Tumormikroumgebung" befindet, wodurch sie ihre Wirkstoffmenge freisetzt. Wenn es nur eine Bedingung erfüllt oder sie in umgekehrter Reihenfolge erfüllt, wird das Arzneimittel nicht freigesetzt.

Der leitende Studienautor Wei-Hong Zhu, Professor für Chemie an der East China University für Wissenschaft und Technologie in Shanghai, und sein Team testeten das System zuerst in Laborzellen und dann in lebenden Mäusen.

"Neue Generation von Drogen"

Die Nanokapsel setzt einzigartige Fluoreszenzmarker frei - einer, wenn sie die erste Bedingung erfüllt, und eine andere, wenn sie die zweite erfüllt - was bedeutet, dass der Fortschritt der Wirkstoffabgabe genau verfolgt werden kann, wenn er passiert.

Dies eröffnet die Möglichkeit, das System als "intelligenten Fluoreszenzsensor" für eine genauere Diagnose zu verwenden.

Prof. Zhu sagt, dass er und seine Kollegen glauben, dass die Forschung zu einer "neuen Generation von Medikamenten" führen wird, die programmiert werden kann, um auf spezifische Reize auf logische Weise zu reagieren.

Einer der Gründe, warum ihr neues System die Medikamentenabgabe auf eine andere Ebene bringt, ist die Tatsache, dass es "sequenzbasierte UND-Logik" und keine ODER-Logik zum Auslösen der Arzneimittelfreisetzung verwendet.

Ein Abgabesystem, das die ODER-Logik verwendet, gibt das Medikament frei, wenn es eine der Bedingungen erfüllt, auf die es programmiert ist.

Bei sequenzbasierter UND-Logik gibt das System das Medikament dagegen erst dann frei, wenn beide Bedingungen in der richtigen Reihenfolge erfüllt sind.

Die Wissenschaftler vermuten, dass dieser Ansatz den Wirkstoff besser vor "zerstörerischen Umgebungen und unerwünschten Wechselwirkungen" schützt und eine genauere Auslösung der Freisetzung "bei Bedarf" gewährleistet.

Wie es funktioniert

Obwohl es praktisch ist, das Medikamentenabgabesystem als "Nanokapsel, die eine Medikamentenladung umgibt" zu beschreiben, ist dies nicht unbedingt so, wie es funktioniert.

Das System besteht aus langen Molekülen, die aus drei Teilen bestehen. Der erste gibt ein Fluoreszenzsignal aus, der zweite ist ein "Prodrug" und der dritte ist ein langer "Polymerschwanz". Das Prodrug wandelt sich bei seiner Freisetzung in das Krebsmedikament um.

Es reagiert "äußerst empfindlich" auf Änderungen des pH-Werts oder der Säure. Und wenn es sich vom Blutstrom (wo der Säuregehalt niedriger ist) in die Tumorumgebung (wo der Säuregehalt höher ist) bewegt, spürt es den pH-Abfall.

Während der pH-Wert über dem programmierten Schwellenwert liegt, bilden die langen Moleküle eine Form, die als "Micelle" bezeichnet wird. Dies ähnelt einer Kugel mit allen Polymerschwänzen an der Außenseite und den fluoreszierenden Einheiten in der Mitte. Bei dieser Formation wird das Fluoreszenzsignal unterdrückt.

Wenn sich die Micelle in einer Umgebung befindet, in der der pH-Wert eine bestimmte Schwelle unterschreitet, wird die Formation aufgelöst und die langen Moleküle werden gelöst.

Das erste, was passiert, ist, dass das Fluoreszenzsignal nicht mehr unterdrückt wird und erkannt werden kann. Es zeigt an, dass die erste Bedingung der UND-Logik (pH-Abnahme) erfüllt ist.

Die Befreiung der langen Moleküle lässt die zweite Bedingung, wenn sie erfüllt ist, wirken. In diesem Fall trennt die Glutathion-Exposition die Verbindung zwischen dem langen Molekül und dem Prodrug. Nach dem Start kann das Prodrug frei in das aktive Krebsmedikament umgewandelt werden.

Zwei Fluoreszenzsignale

Der Verlust des Prodrugs bedeutet, dass das lange Molekül kürzer wird, was zu einer Verschiebung der "Farbe" oder Wellenlänge des Fluoreszenzsignals führt, das immer noch ausgestrahlt wird, "von grün nach violett-rot". Dies signalisiert, dass die zweite Bedingung der UND-Logik in der richtigen Reihenfolge erfüllt ist.

Die Autoren weisen darauf hin, dass diese Fluoreszenz mit zwei Wellenlängen das System "für dreidimensionale Bioimaging in Echtzeit geeignet" macht, was ein "leistungsfähiges Werkzeug für die genaue Diagnose von Krankheiten, insbesondere für verdächtige Läsionen" sein kann.

Als das Team das System in Zellen und in lebenden Mäusen testete, stellte es fest, dass es "ausgezeichnete mehrstufige Tumor-Targeting-Fähigkeit" aufwies. Bei den Mäusen zeigte es auch "eine signifikante Steigerung der Antitumoraktivität [...], die den Tumor nahezu ausrottet".

"Diese logische Nanosonde bietet einen Prototyp für die Entwicklung von intelligenten In-vivo-Biosensorsonden für präzise programmierbare Medikamentenabgabesysteme."

Prof. Wei-Hong Zhu

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