Viele Wirkstoffkandidaten gelangen wegen Nebenwirkungen nicht zur klinischen Anwendung. So können z.B. Inhibitoren der Phosphoinositid-3-Kinase-γ, eines Signalproteins, das bei Infektionen eine bedeutende Rolle spielt, wegen Nebenwirkungen auf die Immunantwort nicht verwendet werden. Neue Verabreichungsformen zum organspezifischen Transport erlauben, diese unerwünschten Wirkungen zu umgehen.
Die Einnahme von Medikamenten bringt nicht immer nur die erhoffte Wirkung. Häufig genug ist die Liste der Nebenwirkungen lang. Bei zugelassenen Medikamenten sind diese im Vergleich zum therapeutischen Nutzen zu vernachlässigen oder zumindest zu tolerieren. Nebenwirkungen können allerdings auch so stark ausfallen, dass ein vielversprechender Wirkstoff nicht zur Therapie verwendet werden kann, weil negative Effekte die positiven aufheben oder gar überwiegen. Eine Ursache dafür ist, dass ein Wirkstoff an verschiedenen Orten, Zellen und Geweben im Körper unterschiedliche Wirkungen entfalten kann. Um dieses Problem zu lösen und neue Wirkstoffe therapeutisch nutzbar zu machen, werden zielgerichtete Verabreichungsformen erforscht, die Wirkstoffe nur am Zielort freisetzen.
Mythos „moderne Intensivmedizin“ – fehlende Therapieoptionen gegen Organversagen
Abb. 1 Biophotonische Verfolgung nanoformulierter PI3Kγ-Inhibitoren in der Leber. Das Transportsystem für AS605240 wird durch den Fluoreszenzfarbstoff DY-635 auf der Oberfläche der Nanopartikel sichtbar. DY-635 steuert außerdem die Nanopartikel zu den Leberzellen. Die Mesoskopie, in der Organe makroskopisch dargestellt werden, verdeutlich die starke Anreicherung im Lebergewebe (oben). Die mikroskopische, zeitaufgelöste Darstellung des Gewebes (unten) zeigt die Aufnahme der Nanopartikel innerhalb von einer Stunde aus den Kapillaren der Leber in die Hepatozyten und die Ausscheidung des Farbstoffs in die Gallenkanälchen.
Die Therapie eines Organversagens, z.B. von Lunge, Niere oder Leber, ist die Kernaufgabe der Intensivmedizin. Hierbei stellen Infektionen die häufigste Ursache für ein Organversagen auf der Intensivstation dar, wobei die „Sepsis“ oder Blutvergiftung definiert ist als eine lebensbedrohliche Organdysfunktion, die aufgrund einer fehlregulierten Wirtsantwort auf eine Infektion auftritt [1]. Damit ist das Organversagen das Kriterium, das die Sepsis von unkomplizierten Infektionen unterscheidet. Mit jährlich über 280.000 neuen Fällen in Deutschland und einer Sterblichkeit von ca. 30 % steht die Sepsis momentan an dritter Stelle in der Sterblichkeitsstatistik, nach Herz-, Kreislauferkrankungen und Tumoren [2].
Die aktuell in der Intensivmedizin verfügbaren Therapien konzentrieren sich auf die Eliminierung des Sepsis-auslösenden Erregers, z.B. durch Gabe von Antibiotika, oder unterstützen symptomatisch Organfunktionen mittels Beatmung oder Dialyse und geben dem Körper damit Zeit, die Folgen der Infektion selbst in den Griff zu bekommen. Zugelassene pharmakologische Therapien, die eine Wiederherstellung der Organfunktion unterstützen, gibt es bislang nicht [3], obwohl genau die Organfehlfunktion das Definitionskriterium der Sepsis gegenüber einer unkomplizierten Infektion ist. Eine schwere Fehlfunktion der Leber tritt bei einer Sepsis zwar relativ selten auf, aber verschlechtert bei fehlender Therapieoption die Überlebenschancen der Betroffenen dramatisch mit einer Sterblichkeit von über 90 % im Jahr nach der Diagnosestellung.
Targeted Drug Delivery als Hoffnung
Abb. 2 Ungezielte Hemmung der PI3Kγ hemmt Immunantwort und Erregerabwehr bei Sepsis. Die Bakterienlast in der Bauchhöhle, dem Ausgangsort der Infektion in diesem Modell, wird herkömmlich in „colony forming units“ (CFUs) gemessen. Eine Zunahme der Bakterienlast verglichen mit einer Kontrollgruppe ohne Infektion (sham) deutet auf eine Immunfehlfunktion hin, die dazu führt, dass die Infektion nicht mehr ordnungsgemäß bekämpft werden kann. Dieser Effekt, verglichen mit der infizierten Kontrolle (Referenz), ist deutlich bei Tieren zu beobachten, die bei einer Sepsis mit dem konventionell formulierten PI3Kγ-Inhibitor AS605240 (AS) behandelt wurden. Die Nanoformulierung von AS für eine gezielte Verabreichung des Inhibitors nur in die Leber (T-LipoAS) verhindert die Aufnahme in Immunzellen und damit die Immunfehlfunktion.
Ein Grund für das bisherige Fehlen von pharmakologischen Therapien zur Wiederherstellung der Organfunktion sind die Überschneidungen der Aufgaben multifunktionaler Signalproteine, wie der Proteinkinasen in unterschiedlichen Zellen, z.B. des Immunsystems und des organspezifischen Gewebes (Parenchym). Eine Lösung für dieses Problem stellt die Entwicklung zielgerichteter Verabreichungsformen dar. Um solche Ansätze nutzbar zu machen, arbeiten wir mit drei Komponenten: Wirkstoff, Verpackung und „Targeting Unit“. Für die Behandlung des septischen Leberversagens gibt es hierbei vielversprechende Wirkstoffkandidaten aus der präklinischen Forschung. Exemplarisch ist hier der Wirkstoff AS605240 zu nennen, der eines der zentralen Signalproteine der Zelle, die Phosphoinositid-3-Kinase γ (PI3Kγ), hemmt. Dieses Protein ist an einer Vielzahl physiologischer Prozesse beteiligt. Bei einer Sepsis zum Beispiel konnte gezeigt werden, dass eine Aktivierung der PI3Kγ zu einer Verschlechterung der Leberfunktion mit Störung der Galleproduktion führt. Mäuse, denen das entsprechende Gen fehlt, erleiden weniger Leberversagen während einer Sepsis. Allerdings sind wichtige Immunfunktionen gestört, denn PI3Kγ ist auch für die Steuerung von Immunzellen zum Infektionsort und der dortigen Pathogen-Eliminierung wichtig. Ein Überlebensvorteil durch das „Ausschalten“ des Proteins entsteht daher weder bei genetischer noch pharmakologischer Hemmung [4].
Abb. 3 Gezielte Hemmung der PI3Kγ in der Leber verbessert Organfunktion und Überleben bei Sepsis. Überleben von Mäusen bei Sepsis (infizierte Kontrolle, Referenz) nach Gabe des PI3Kγ-Inhibitor AS605240 als konventionelle Formulierung, die das Enzym in allen Zellen des Körpers inhibiert (AS), oder als neuartige Nanoformulierung mit selektivem ‚targeting‘ für Hepatozyten (T-LipoAS). Nur die Nanoformulierung führt zu einer Resolution der Organdysfunktion und einem verbesserten Überleben in diesem Modell der Sepsis. Alle Tiere erhielten eine adäquate Antibiose, Schmerztherapie und Flüssigkeitsgabe.
Um die vielversprechenden Wirkungen der PI3Kγ-Inhibitoren nutzen zu können, müssen Wege gefunden werden, die Substanzen ausschließlich in das Leberparenchym zu transportieren, ohne dabei auf das Immunsystem zu wirken. In Jena wird seit einigen Jahren im von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereich SFB 1278 „PolyTarget“ (kürzlicher Start der zweiten Förderphase) an der Entwicklung von Nanopartikeln gearbeitet, die Wirkstoffe für genau diesen Zweck verpacken können. Dabei werden Nanopartikel-Bibliotheken entwickelt, aus denen je nach Anwendungsgebiet geeignete „Container“ ausgewählt werden können [5-9]. Ein erfolgreicher Ansatz zur gezielten Wirkstoffverabreichung braucht zusätzlich noch ein Element zur „Navigation“ der wirkstoffbeladenen Nanopartikel. Durch unterschiedliche Modifizierungen werden die Partikel dann selektiv von bestimmten Zelltypen aufgenommen und geben damit nur an diesen Stellen ihre Ladung, also den Wirkstoff, frei. Zur „Navigation“ wurde z.B. der Farbstoff DY-635 verwendet, der spezifisch von Leberzellen und bestimmten Tumorzellen aufgenommen wird, die Organo-Anion-Transporter exprimieren (Abb.1) [10].
Mit dieser Kombination gelang nun zumindest im Tiermodel die Umsetzung eines innovativen Ansatzes, einen Wirkstoff zielgerichtet nur an den gewünschten Wirkort zu transportieren (Abb. 2), und so Leberversagen zu mindern und die Überlebenswahrscheinlichkeit bei Sepsis zu erhöhen (Abb. 3).
Reduktion unerwünschter Nebenwirkungen bei erhaltenem günstigen Effekt auf die Leberfunktion
Abb. 4 Schematische Zusammenfassung. Wirkstoffbeladene Nanopartikel werden durch eine „Targeting Unit“ (hellblau) spezifisch von Leberzellen (Hepatozyten) aufgenommen und setzen nur dort den Wirkstoff (rot) frei, ohne z.B. Immunfunktionen zu beeinflussen.
Durch die Verwendung der neu entwickelten Nanopartikel konnte der Wirkstoff gezielt in Leberzellen transportiert werden (Abb. 4). Leberfunktion und Überleben der septischen Mäuse wurde verbessert. Die drastischen Nebenwirkungen auf das Immunsystem, die durch den Inhibitor bei gewöhnlicher (systemischer) Gabe verursacht werden, traten bei Verabreichung des nanopartikelverpackten Wirkstoffes nicht auf.
Fazit/Ausblick
Durch die Entwicklung von Nanopartikeln, Targeting-Komponenten und dem weiteren Screening nach potenziellen Wirkstoffen kann ein Baukastensystem entstehen, mit dem verschiedene Aspekte lebensbedrohlicher Infektionen und der damit einhergehenden systemischen Entzündungsreaktionen adressiert werden können. Denn während eine Entzündungsreaktion am Infektionsort eine durchaus erwünschte Antwort des Körpers ist, entstehen Probleme durch systemische Reaktionen weitab vom eigentlichen Infektionsgeschehen. Neben der Therapie der infektionsfernen Organdysfunktion sind weitere vielversprechende Ansätze z.B. die gezielte Verabreichung von Antibiotika bei der Sepsis. Dadurch kann der Wirkstoffspiegel am Infektionsort erhöht werden, ohne Nebenwirkungen z.B. auf das menschliche Mikrobiom zu riskieren.
Danksagung
Die Autoren danken Dr. Margit Leitner und Owe Leitner für die Erstellung der Schemazeichnung der Nanocarrier (Abb. 4 und Headerillustration).
Die zugrundeliegenden Studien wurden gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (13N13416, 03Z22JN12) und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (SFB1278: 316213987, Projekte A01, A04, A06, C01, C03, T01 und Z01, sowie EXC 2051: Projekt-ID 390713860). Adrian Press dankt dem Interdisziplinären Zentrum für Klinische Forschung am Universitätsklinikum Jena für die Förderung (AMSP05).
Interessenskonflikt
Michael Bauer und Ulrich S. Schubert sind Gründer und Anteilseigner der SmartDyeLivery GmbH, die Pharmaka auf dem beschriebenen Wirkprinzip entwickelt.
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Infobox
„PolyTarget“ – Zelltypspezifische polymere Nanopartikel
Der Sonderforschungsbereich (SFB) 1278 „PolyTarget“ in Jena verfolgt das langfristige Ziel, zelltypspezifische polymere Nanopartikel (NP) zu entwickeln, die in verschiedenen Stadien von Entzündungsprozessen selektiv eingreifen. Ziele für die NP-Behandlung sind die Krankheitserreger direkt oder gleichzeitig auftretende schädliche Entzündungsreaktionen. Neu entwickelte Medikamente, die in gewebespezifische NP eingekapselt werden, ermöglichen die Auflösung lokaler und systemischer Entzündungsreaktionen und schützen entfernte Organe. PolyTarget bildet das gesamte Spektrum der Methoden zur Herstellung und effizienten Anwendung zelltypspezifischer NPs ab, darunter die Synthese systematischer Polymerbibliotheken, die Formulierung von NP-Bibliotheken, die Entwicklung neuer entzündungshemmender Arzneimittel, die Modellierung von Arzneimittel-Polymer-Wechselwirkungen und die Anwendung biomedizinischer Testmethoden zur Wirksamkeit der NP. Neben wissenschaftlichen Projekten gibt es auch ein Öffentlichkeitsprojekt, das die Konzepte und Ergebnisse von PolyTarget in die Schulbildung einbringt, sowie eine Graduiertenschule, die gezielt interdisziplinäre wissenschaftliche Expertise fördert.
Weitere Informationen: https://www.polytarget.uni-jena.de/
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Kategorie: Molekulare Medizin | Drug Delivery
Literatur:
[1] Singer M, Deutschman CS, Seymour CW et al. The Third International Consensus Definitions for Sepsis and Septic Shock (Sepsis-3). JAMA. 2016;315(8):801-10. DOI: 10.1001/jama.2016.0287
[2] Fleischmann C, Thomas-Rueddel DO, Hartmann M et al. Hospital Incidence and Mortality Rates of Sepsis An Analysis of Hospital Episode (DRG) Statistics in Germany From 2007 to 2013. Deutsches Arzteblatt international. 2016;113(10):159-+. DOI: 10.3238/arztebl.2016.0159
[3] Bauer M. Sepsis. In: Offermanns S, Rosenthal W, editors. Encycl Mol Pharmacol. 3rd ed: Springer International Publishing; 2021
[4] Recknagel P, Gonnert FA, Westermann M et al. Liver dysfunction and phosphatidylinositol-3-kinase signalling in early sepsis: experimental studies in rodent models of peritonitis. PLoS Med. 2012;9(11):e1001338. DOI: 10.1371/journal.pmed.1001338
[5] Grune C, Zens C, Czapka A et al. Sustainable preparation of anti-inflammatory atorvastatin PLGA nanoparticles. Int J Pharm. 2021;15;599:120404. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2021.120404
[6] Kühne M, Kretzer C, Lindemann H et al. Biocompatible valproic acid-coupled nanoparticles attenuate lipopolysaccharide-induced inflammation. Int J Pharm. 2021;15;601:120567. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2021.120567
[7] Shkodra B, Press AT, Vollrath A et al. Formulation of Liver-Specific PLGA-DY-635 Nanoparticles Loaded with the Protein Kinase C Inhibitor Bisindolylmaleimide I. Pharmaceutics. 2020;12(11):1110. DOI: 10.3390/pharmaceutics12111110
[8] Gardey E, Sobotta FH, Hoeppener S et al. Influence of Core Cross-Linking and Shell Composition of Polymeric Micelles on Immune Response and Their Interaction with Human Monocytes. Biomacromolecules. 2020;21(4):1393-1406. DOI: abs/10.1021/acs.biomac.9b01656
[9] Alex J, González K, Kindel T et al. Caspofungin Functionalized Polymethacrylates with Antifungal Properties. Biomacromolecules. 2020;21(6):2104-2115. DOI: 10.1021/acs.biomac.0c00096
[10] Press AT, Babic P, Hoffmann B et al. Targeted delivery of a phosphoinositide 3-kinase γ inhibitor to restore organ function in sepsis. EMBO Mol Med. 2021;13(10):e14436, DOI: 10.15252/emmm.202114436
Headerbild: KAI/UKJ
Publikationsdatum:
24.11.2021
