Düsseldorf: Im Käfig zum Wirkort

Wie transportiert man einen hochwirksamen Wirkstoff genau an den Ort, wo er im Körper wirken soll? Chemiker der HHU stellen zusammen mit Aachener Kollegen in der Zeitschrift Angewandte Chemie einen Lösungsansatz mit einem Molekülkäfig vor, der sich bei Ultraschallbestrahlung öffnet.

Im Käfig zum Wirkort

Es gelingt, einen supramolekularen Käfig zu konstruieren und mit Wirkstoffen zu beladen. In wässriger Lösung öffnen Ultraschallwellen den Käfig und geben den Wirkstoff frei.

HHU / Robin Küng

In der supramolekularen Chemie werden Moleküle zu größeren, übergeordneten Strukturen zusammengesetzt. Bei geeigneter Wahl der Teilkomponenten setzen sich solche Systeme selbst aus ihren einzelnen Bausteinen zusammen, man spricht dann von Selbstassemblierung.

Molekulare Wirt-Gast-Systeme

Bestimmte supramolekulare Verbindungen eignen sich gut als sogenannte Wirt-Gast-Systeme. In solchen Fällen umgibt eine Wirtsstruktur ein Gastmolekül, kann es von der Umgebung abschirmen, schützen und transportieren. Dies ist ein Spezialgebiet von Dr. Bernd M. Schmidt und seiner Arbeitsgruppe am Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie der HHU.

Die Düsseldorfer Chemiker suchten zusammen mit Kollegen vom DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien nach einem System, das Wirkstoffmoleküle später vielleicht sogar durch den menschlichen Körper transportieren und vor allem die Fracht an einer gewünschten Stelle freigeben kann.

Die Lösungen können diskrete „Pd6(TPT)4-Käfige“ sein: Oktaeder-förmige Strukturen aus vier dreieckigen Paneelen, an deren sechs Ecken jeweils ein großes organisches Molekül sitzt, genauer gesagt ein Palladiumatom, über welches eine lange Polymerkette gebunden ist. Diese Palladiumatome bilden sogenannte koordinative Metallbindungen zu den Paneelen aus, deren Ecken sie anstoßen.

Gibt man die einzelnen Bausteine in richtigem Verhältnis in eine wässrige Lösung, so entstehen die Käfige von selbst. Und fügt man anschließend kleinere, hydrophobe Moleküle hinzu, so wandern diese in genau bekannter Zahl in die Käfige hinein. Die Forscher haben dies mit den Wirkstoffmolekülen Ibuprofen und Progesteron gezeigt.

Eingebaute Sollbruchstellen

„Der besondere Clou bei unserem System sind die eingebauten Sollbruchstellen“, so Dr. Schmidt, Letztautor der Studie. „Die Palladiumatome verbinden alle Bausteine vergleichsweise schwach. Wenn man es schafft, diese aus dem Verbund zu zerren, bricht das ganze Oktaeder auseinander.“

Gezerrt wird in diesem Fall in Aachen mit leistungsstarken Ultraschallquellen, wie Mediziner sie beispielsweise zur Zertrümmerung von Nierensteinen benutzen. Der Ultraschall erzeugt im Wasser Kavitationsblasen, die zerplatzen und dadurch sehr große mechanische Scherkräfte auf die langen Ketten ausüben. Die Kräfte sind so stark, dass tatsächlich die Palladiumatome aus den Ecken reißen und somit den Oktaederkäfig zerlegen. Die kleinen Wirkstoffmoleküle werden dabei zwar herumgewirbelt, aber nicht beschädigt.

Zielgerichtete Freisetzung

Dr. Robert Göstl vom DWI: „Durch lokale Ultraschallbestrahlung des zu behandelnden Gewebes könnte man später erreichen, dass der im Käfig transportierte Wirkstoff genau dort freigesetzt wird, wo er zur Therapie benötigt wird.“ Dabei dienen die in der Studie eingesetzten Wirkstoffmoleküle nur als Test, grundsätzlich können sehr viele verschiedene, hydrophobe Moleküle in den Käfig gepackt werden. Und es ist – im Gegensatz zu anderen beschriebenen Wirt-Gast-Systemen – nicht notwendig, die Wirkstoffmoleküle chemisch anzupassen, damit sie in den Käfig gelangen. „Für die Tumorbehandlung wäre zum Beispiel eine Beladung mit Zytostatika denkbar. Indem sie direkt bei einem soliden Tumor freigesetzt werden, könnte vielleicht eine Chemotherapie mit deutlich weniger Wirkstoff und damit mit geringeren Nebenwirkungen durchgeführt werden“, wünscht sich Schmidt.

Dazu trägt noch bei, dass aufgrund der definierten Beladungsmenge auch genau bemessen werden kann, wie viel Wirkstoff am Einsatzort freigesetzt wird. „Die verabreichte Dosis könnte sogar präzise berechnet werden.“

Proof-of-Concept-Studie

Bei der Studie handelt es sich um ein „Proof of Concept“: Die Machbarkeit des Ansatzes wurde gezeigt. Dies überzeugte auch die Gutachter und Verleger der Zeitschrift „Angewandte Chemie“, die die Veröffentlichung als besonders bedeutsam ansahen, es als „Hot Paper“ einstuften und zur Titelgeschichte der nächsten Zeitschriftenausgabe machen.

„In nächsten Schritten wollen wir überprüfen, wie reale Zellen auf unsere Käfige reagieren. Vor einem möglichen medizinischen Einsatz muss sichergestellt werden, dass sie nicht toxisch sind.“ 

Weiterführende Informationen

Meldung der HHU vom 05.05.2021

Originalpublikation im Journal Angew. Chem. Int. Ed. (2021)