Medikamente mit Wirkstoffmembran schonend applizieren

Interview mit Dr. Luciano F. Boesel, Wissenschaftlicher Gruppenleiter "Medizinische Textilien" der schweizerischen Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA)

Spritzen haben sowohl bei Kindern als auch Erwachsenen keinen guten Ruf. Schon seit Jahren versuchen Forscher daher einen Weg zu finden, um Medikamente schonender zu verabreichen. Schweizer Wissenschaftler haben nun eine Membran entwickelt, die unter UV-Licht Wirkstoffe abgibt. Sie könnte die Gabe von Medikamenten und Impfstoffen revolutionieren.

09.02.2015

Foto: Luciano F. Boesel

Dr. Boesel beschäftigt sich mit der Entwicklung von nicht-invasiven Überwachungssensoren, die auf optischen Fasern, fluoreszierenden Textilien und reagierenden Membranen basieren; © EMPA

Im Interview mit MEDICA.de sprach Dr. Luciano Boesel, Gruppenleiter für „Medizinische Textilien“ im Fachbereich Schutz und Physiologie der schweizerischen Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA), über die Steuerung der Medikamentengabe und der potenziellen Anwendung der Membran in Verbindung mit einem Pflaster.

Wie kamen Sie und ihr Team auf die Idee Wirkstoffe über eine Membran zu verabreichen?

Dr. Luciano Boesel:
Die Entwicklung der Membran erfolgte in Zusammenarbeit mit der Klinik für Neonatologie am UniversitätsSpital Zürich. Initiiert wurde dieses Projekt durch die dort ansässigen Ärzte. Den Denkanstoß gab letztendlich die Intensivpflege von Frühgeborenen. Sie benötigen in einigen Fällen Koffein, um Atemstillstände zu verhindern. Dies wird meist über eine Sonde oder eben eine Injektion verabreicht. Da die Kinder sehr empfindlich sind, verursachen diese Injektionen zusätzlichen Stress.

Die Idee eine schonendere Methode der Verabreichung zu entwickeln, entstand somit in der Klinik. Die Entwicklung einer alternativen Methode lag in der Hand unseres Labors. Dabei haben wir das Pflaster nicht neu erfunden. Es gibt bereits etablierte Produkte für transdermale Abgaben, beispielsweise Hormon- oder Nikotinpflaster, die durch den Kontakt mit der Haut ihre Wirkstoffe abgeben. Wir haben stattdessen eine Membran entwickelt, die mit einem konventionellen Pflaster angewendet und über UV-Licht gesteuert werden kann. Die Tests mit der Membran fanden dann wiederum im UniversitätsSpital statt.

Worin besteht der Nachteil einer Injektion?

Boesel:
Es gibt drei wesentliche Nachteile: Zunächst empfinden viele Menschen Injektionen als schmerzhaft. Des Weiteren injiziert man mit einer Spritze eine sehr hohe Menge des Wirkstoffes in den Körper. Das Medikament wird nicht optimal dosiert. Die Konzentration ist zunächst sehr hoch und lässt danach teilweise schnell wieder nach. Je nachdem muss das Medikament oder der Impfstoff daher über mehrere Injektionen verabreicht werden, bis der Wirkstoff vollständig wirkt. Das kann die Effektivität des Medikaments minimieren. Wünschenswert wäre daher eine gleichmäßige Dosierung über mehrere Stunden, die individuell gesteuert werden kann.
Foto: Koffein-Durchlässigkeit der Membran

Sichtbares Licht ist nicht in der Lage die eingebetteten funktionalen Gruppen (links) zu aktivieren, UV-Licht (rechts) ist dazu in der Lage und gibt die Wirkstoffe des Pflasters ab; © EMPA

Wie funktioniert die von Ihnen entwickelte Membran?

Boesel:
Medikamente diffundieren durch eine Membran über die Haut ins Innere. Die Abgaberate der Medikamente ist zudem steuerbar. Die Membran, die wir entwickelt haben, ist lichtempfindlich und enthält Moleküle, sogenannte Spiropyrane, die sie durchlässiger machen, wenn sie mit UV-Licht beleuchtet werden. Die Abgabe selbst wird reguliert über die Bestrahlung der Membran durch verschiedene Lichtfarben. Demgegenüber ist die Membran weniger durchlässig, wenn sie mit Weißlicht bestrahlt wird.

Und wie wird die Abgabe des Wirkstoffes reguliert?

Boesel:
Wenn man die Membran mit UV-Licht bestrahlt, verändern sich die Spiropyrane. Es entstehen polare Verbindungen. Hydrophile, also in Wasser gelöste Moleküle, diffundieren dann einfacher durch das Pad. Dieser Prozess kann dann sogar über mehrere Stunden reguliert werden. Wenn man die Membran mit weißem Licht bestrahlt, werden die Spiropyrane wieder deaktiviert und zurück in ihren ursprünglichen Zustand versetzt. Das heißt, sie sind wieder wasserabweisend. Medikamente, die dann im Wasser gelöst sind, diffundieren weniger oder gar nicht mehr durch die Membran hindurch.

Kann das Pflaster für jede Art von Wirkstoff angewendet werden?

Boesel:
Unser Projekt konzentriert sich primär auf die Abgabe von Koffein bei Neugeborenen, um Atemstillstände zu verhindern.

Allerdings ist es vorstellbar, dass die Membran sich auch für andere Medikamente zum Beispiel Theophyllin oder Lidocain anwenden lässt. Entsprechende Experimente werden bereits durchgeführt. Es handelt sich dabei um Stoffe, die ähnlich wie Koffein hydrophil sind. Die Membran, die in unserem Institut entwickelt wurde, eignet sich für alle Medikamente, die durch die Haut diffundieren können. Die Abgaberate kann nicht nur ganz gezielt gesteuert werden, sondern die Membran auch auf den jeweiligen Wirkstoff angepasst werden. Dafür muss lediglich die Zusammensetzung geändert werden.
Foto: belichtete Membran in Form eines Vogels

Durch eine Maske belichtete Membran: Dort, wo das UV-Licht die Membranschicht aktiviert hat, erscheint ein rosafarbener Vogel; © EMPA

Welche Herausforderungen nehmen Sie sonst noch in Ihrem Forschungsprojekt an?

Boesel:
Eines der Hauptprobleme, die es noch zu lösen gilt, ist die zu niedrige Durchlässigkeit der Haut von Erwachsenen. Je nach Hauttyp reduziert sich die Aufnahme der Medikamente im Körperinneren. Ein Beispiel wäre hier Insulin, das sehr langsam oder gar nicht durch die Haut dringt. Es müssen dann Methoden angewendet werden, die die Durchlässigkeit der Haut lokal erhöhen. Das ist ein Thema, an dem sich viele Forschungsinstitute beteiligen.

Auch Moleküle, die nicht wasserlöslich sind, könnten durch die Membran abgegeben werden. In diesem Fall müsste sie individuell an das Medikament angepasst werden.

Arbeiten sie momentan in diese Richtung?

Boesel:
Derzeit testen wir keine weiteren Medikamente. Wir haben uns zunächst für Koffein entschieden und mit diesem verschiedene Ansätze getestet. Wir haben vier verschiedene Arten von Membranen entwickelt. Eine davon eignet sich fast ausschließlich nur für hydrophile Moleküle. Die anderen drei können angepasst werden, sodass hydrophobe Medikamente verabreicht werden könnten. Aber im Prinzip erfordert dieses erweiterte Anwendungsgebiet lediglich eine einfache Änderung in der chemischen Zusammensetzung der Membran. So müsste das Basismaterial der Membran geändert werden und Polymere eingebaut werden, die besser zu hydrophoben Molekülen passen. Das Spiropyran spielt dahin gehend keine Rolle.
Foto: Melanie Günther; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Das Interview führte Melanie Günther
MEDICA.de