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Nanoemulsionen

Nanoemulsionen zur Diagnostik und Therapie

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Nanoemulsionen (NEs) sind kolloiddisperse Systeme, die Partikelgrößen – vergleichbar mit den Liposomen – von bis zu wenigen hundert Nanometern (Millionstel Millimeter) aufweisen.

Die Grenzfläche der Nanoemulsionen kann wie bei den Liposomen aus Phospholipiden bestehen. Dies erklärt auch, weswegen Nanoemulsionen als Wirkstoffträger im Organismus ähnlich verteilt werden. Das äußere Medium besteht bei Parenteralia aus einer hydrophilen Phase.

NEs für das spezifische Drug-Targeting

Im Innenraum konventioneller Nanoemulsionen befindet sich eine Ölphase, in welche lipophile Wirkstoffe eingearbeitet werden können. Nanoemulsionen haben eine größere lipophile Phase als Liposomen und können somit mehr Öl-löslichen Wirkstoff als diese aufnehmen.

Solche Nanoemulsionen (auch Sub-Mikron-Emulsionen genannt) werden vorwiegend im Bereich der parenteralen Fett-Ernährung eingesetzt. Aber auch arzneistoffhaltige Präparate sind auf dem Markt zu finden, z.B. Nanoemulsionen mit Anästhetika.

Am Freiburger Lehrstuhl werden Nanoemulsionen unter verschiedenen Gesichtspunkten untersucht. Frau Dr. Wan-Hsun Wu untersuchte im Rahmen ihrer Doktorarbeit die Möglichkeiten des Einsatzes von Zytostatika-haltigen Nanoemulsionen für Infusionen und Injektionen (in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Heinz-Herbert Fiebig, Fa. Oncotest GmbH, Freiburg).

Diese Arbeiten werden in der Dissertation von Frau Shila Gurung weitergeführt. Nanoemulsionen werden vorwiegend durch Hochdruckhomogenisation in größerem Maßstab hergestellt. Dafür muss viel Material verwendet werden und es sind außer den Nanoemulsionenstropfen auch größere Mengen an Liposomen zu finden. Es wird daher in dieser Arbeit untersucht, wie man den Liposomengehalt minimieren kann, mit welcher anderen Methode die Emulsionen auch in einem kleinen Maßstab hergestellt werden können und wie ein aktives Targeting von Zielzellen durch Kopplung von Antikörpern oder anderen Liganden erzielt werden kann.

Dr. Hendrik Hardung hat sich in seiner Doktorarbeit unter anderem mit dem Transport von Wirkstoffen in die Haut nach topischer Applikation von Nanoemulsionen und ihrer Wechselwirkung mit Hautzellen beschäftigt.

Fluor-haltige Nanoemulsionen zur Diagnostik: in-vivo-Monitoring inflammatorischer Prozesse mittels 1H/19F MRI

Die Detektion lokaler inflammatorischer Prozesse mittels Magnetresonanz-Bildgebung (MRI) ist bisher lediglich unter Verwendung superparamagnetischer Eisenoxidpartikel (SPIOs) möglich. Hierbei macht man sich die hohe Affinität dieser Teilchen zum Monozyten-Makrophagen-System zunutze. SPIOs führen zu einer Auslöschung des MR-Signals. Somit ist nach lokaler Anreicherung lediglich eine Abschwächung im MR-Bild zu erkennen, was in manchen Fällen die Interpretation der Daten erschwert.

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In einer Kooperation mit dem Institut für Herz- und Kreislaufphysiologie der Universität Düsseldorf (Prof. Dr. Jürgen Schrader, Dr. Ulrich Flögel, Dr. Sebastian Temme) wird zur Zeit ein MR-Verfahren etabliert, das die Darstellung entzündlicher Prozesse mit einem positiven Kontrast erlaubt.

Als Kontrastmittel werden Perfluorcarbone (PFCs) eingesetzt, die physikalisch, chemisch und physiologisch inert sind. Unter Verwendung biokompatibler Hilfsstoffe werden die PFCs zu Nanoemulsionen verarbeitet, die, ebenso wie SPIOs, im Körper phagozytiert werden.

Anhand verschiedener akuter Entzündungsmodelle wie Herz- bzw. Hirninfarkt wurde die Nanoemulsion im Tierversuch an der Maus getestet. Die Ergebnisse der Versuche zeigten, dass die Nanoemulsion nach intravenöser Applikation durch das Monozyten-Makrophagen-System phagozytiert wird und in inflammatorischen Infarktarealen akkumuliert, wo sie sich mittels MRI in vivo nachweisen lässt. Die Aufnahme von nanoskaligen Partikeln durch das Monozyten-Makrophagen-System erfolgt erfahrungsgemäß größenabhängig. Daher war die Herstellung von Nanoemulsionen unterschiedlicher definierter Größen und die Untersuchung der Aufnahme dieser NEs in Zellkulturversuchen Gegenstand der Forschung.

PFCs können somit als positive Kontrastmittel zur Darstellung von Entzündungsprozessen verwendet werden. Aufgrund eines fehlenden natürlichen 19F-Hintergrundes im Körper weisen sie als Kontrastmittel ein hohes Maß an Spezifität auf. Da PFCs nicht toxisch sind und verschiedene perfluorierte Verbindungen wie zum Beispiel Perflubron® bereits als Blutersatzstoffe toxikologisch ausreichend untersucht sind (z. B. Elimination), sollte sich dieses Verfahren auch für die Anwendung am Menschen eignen (Dissertationen Dr. Hendrik Hardung, Dr. Friederike Mayenfels).

 

Flögel U, Ding Z, Hardung H, Jander S, Reichmann G, Jacoby C, Schubert R, Schrader J: In vivo monitoring of inflammation after cardiac and cerebral ischemia by fluorine magnetic resonance imaging, Circulation 118, 140-148, 2008. [zum Originalartikel]

 

Fluor-haltige Nanoemulsionen zur Diagnostik: Aktives Targeting mittels Perfluorcarbon-haltiger NE

Aktives Targeting von Nanopartikeln an definierte Zielstrukturen gewinnt in der Forschung und therapeutischen Anwendung immer mehr an Bedeutung. Mit Perfluorcarbon-Nanoemulsionen, die spezifisch an Zielstrukturen auf pathologisch veränderten Zellen binden, könnten Krankheiten früher und vor allem sehr viel genauer erkannt werden als dies derzeit möglich ist.
Ein aktives Targeting mit PFC-NEs wurde daher in diversen Zellversuchen untersucht. Darauf basierend befinden sich in-vivo-Versuche an Mäusen in Vorbereitung (Dissertation Christoph Grapentin).

Förderung
Die Forschung an Perfluorcarbon-Nanoemulsionen wird seit 2010 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

 

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