Grundlagenforschung

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Lyophilisation von Doxorubicin (DXR)-haltigen Liposomen

Am Lehrstuhl wurde die Lyophilisation von Zytostatika-haltigen Liposomen im Rahmen der Doktorarbeit von Dr. Katharina Böhm untersucht. Die Gefriertrocknung läuft generell in drei Schritten ab: Zunächst werden die Liposomen eingefroren, wobei die Endtemperatur des Einfrierprozesses unter der eutektischen Temperatur liegen muss. In der anschließenden Primärtrocknung sublimiert unter Vakuum das in der Probe vorhandene Wasser, so dass es durch Kondensation an einer Kältefalle entfernt werden kann. Während der Sekundärtrocknung wird die Temperatur bei bestehendem Vakuum erhöht, um möglichst eine Restfeuchte von unter 1% zu erhalten.
Die Vorteile der Gefriertrocknung liegen in einer langen Lagerstabilität und einer schnellen Anwendungsmöglichkeit der Liposomen. Außerdem werden die Liposomen, im Gegensatz zur Sprühtrocknung, keiner großen Hitze ausgesetzt, so dass diese Methode auch für thermolabile Substanzen verwendet werden kann.
Durch den Einsatz verschiedener Lyo- und Cryoprotektoren konnte die Stabilität Zytostatika-haltiger Liposomen während der Lyophilisation optimiert werden.

Vesikuläre Phospholipidgele (VPG)

Hohe Einschlusseffizienzen für Wirkstoffe und die lange Lagerungsfähigkeit von Liposomen können durch Hochdruckhomogenisation hochkonzentrierter Lipid-Dispersionen erreicht werden, die dann zunächst als Gele vorliegen. Diese vesikulären Phospholipidgele (VPG) können implantiert werden oder nach Verdünnung als Liposomen-Dispersionen verwendet werden. Solche Systeme wurden von Prof. Dr. Martin Brandl während seiner Habilitation am Lehrstuhl entwickelt und in Zusammenarbeit mit der Klinik für Tumorbiologie (Arbeitsgruppe Prof. Dr. Ulrich Massing, Prof. Dr. Clemens Unger) und der  Oncotest GmbH, Freiburg (Prof. Dr. Heinz-Herbert Fiebig) weiter bearbeitet. Dabei wurden verschiedene Zytostatika liposomal verkapselt und damit deren Wirksamkeit optimiert (Dissertationen Dr. Regina Moog, Dr. Frank Güthlein, Dr. Nicole Kaiser).

Liposomen für die topische Applikation

Entgegen früheren Meinungen können herkömmliche Liposomen nicht in die Haut penetrieren. Sie können jedoch dazu beitragen, dass verschiedene Wirkstoffe besser in die Haut eindringen oder sogar durch die Haut in den Körper gelangen können. Der Mechanismus dieser Penetrationsverbesserung ist noch ungeklärt. Am Lehrstuhl wurden deshalb die Lipidschichten der epidermalen Hornschicht (Stratum corneum; SC) genauer auf ihre Strukturen hin untersucht. Isolierte SC-Lipide bilden außergewöhnliche Liposomen, die mittels Cryo-Elektronenmikroskopie genau charakterisiert werden konnten (Dissertation Dr. Margret Fröhlich). Zusätzlich wurde das Bindungsverhalten von Wirkstoffen an die SC-Lipid-Liposomen gemessen, um an diesem einfachen System das Penetrationsverhalten in die Haut abschätzen zu können, werden diese SC-Lipid-Liposomen in geeigneter Weise auf Stützmembranen aufgezogen, steht ein realitätsnahes Modell zur Abschätzung der Penetration von Wirkstoffen in die Haut zur Verfügung.
Eine weitere Doktorarbeit beschäftigte sich mit Phospholipidgelen zur Optimierung der Wirkstofffreisetzung in die Haut (Dr. Bernd Ibscher, zusammen mit der ratiopharm GmbH, Ulm). Eine andere Dissertation verglich die Wirksamkeit liposomaler Zubereitungen mit anderen Systemen wie Mikropartikeln, Nanoemulsionen und konventionellen Cremes (Dr. Matthias Renz, zusammen mit der Schering AG, Berlin).

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Liposomen für das mitochondriale Targeting

Mitochondrien sind nicht nur für die ATP-Synthese wichtig, sondern sind neben anderen Funktionen ebenfalls eng in den Prozess der Apoptose eingebunden; daher könnten ihnen wichtige pathogenetische Rollen bei diversen Erkrankungen wie z.B. dem Morbus Alzheimer und dem Morbus Parkinson zukommen, für die bis heute keine wirksamen Therapeutika bereit stehen.
Daher wurden im Rahmen der Doktorarbeit von Dr. Ying Zhou fusogene Liposomen entwickelt, die sich in in-vitro-Versuchen mit isolierten Mitochondrien als geeignete Drug Carrier für ein mitochondrialesTargeting erwiesen und somit eine spezifischere und gezieltere Freisetzung von Wirkstoffen in diese Organellen ermöglichen könnten.

Polyplexe als Gentransfersysteme

In der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Regine Süss wurden im Rahmen der Doktorarbeit von Dr. Stefanie Häfele Polyplexe im Hinblick auf ihre Eignung als nicht-virale Gentransfersysteme untersucht. Hierfür wurden verschiedene monodisperse Polyamidoamine, die von Dr. Laura Hartmann am MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam-Golm synthetisiert wurden, mit DNA aggregiert und auf Primärzellen mittels Endozytosemarkern und –inhibitoren ihre Aufnahme fluoreszenzmikroskopisch verfolgt. 

pH-sensitive Liposomen und endosomale Freisetzung

Ein besonderer Typ sind pH-sensitive Liposomen, die bei neutralem pH-Wert stabil sind und bei leicht saurem pH-Wert (<5,5) destabilisiert werden. Dabei neigen diese Liposomen zur Fusion mit anderen Membranen und setzen ihren Inhalt frei. Die Aufnahme von Liposomen in Zellen erfolgt über Endozytose. Dabei werden Bereiche der Zell-Plasmamembran als Kügelchen (Endosomen) abgeschnürt und die darin eingeschlossenen Liposomen werden ins Zellinnere transportiert. Da der pH-Wert im Inneren der Endosomen sinkt, fusionieren die pH-sensitiven Liposomen  mit der Endosomenmembran und setzen ihren Inhalt in den Zellkörper (Cytosol) frei. Dieses Konzept der pH-sensitiven Liposomen wurde in den Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Rolf Schubert und Frau Prof. Dr. Regine Süss genauer untersucht. An diesem Projekt waren Sabine Barnert, Dr. Thomas Steenpaß, Dr. Andreas Fritze, Dr. Ulrich Huth, Dr. Louma Kalie, Dr. Anmar Marouf und Dr. Zeljka Pavelić, Universität Zagreb, Kroatien, die 2002 als Postdoc Gast an unserem Lehrstuhl war, beteiligt.

Polymersomen

Polymersomen sind den Liposomen ähnliche Membranvesikel, die wie diese auch als Wirkstoffträger (Drug Carrier) und Modellmembranen eingesetzt werden können. Bei den Polymersomen besteht die Membran ebenfalls aus einer Doppelschicht von Molekülen, die auf einer Seite lipophil und auf der anderen Seite hydrophil sind. Diese amphiphilen Moleküle bestehen aus Polymeren. Mit unterschiedlichen Polymeren kann die Dicke der Membran-Doppelschicht (Bilayer) variiert werden. Damit kann vermutlich auch die Freisetzung von verkapselten Wirkstoffen im Organismus besser gesteuert werden als mit Liposomenmembranen. Außerdem besteht der hydrophile Teil der Moleküle aus Polyethylenglykol (PEG). Dieses verhindert die Anlagerung von Serumproteinen nach Injektion der Polymersomen in das Blut, wodurch sie wesentlich langsamer von den Phagozyten des Immunsystems (z.B. Makrophagen) – die vor allem Organe wie die Leber, die Milz und die Lungen besiedeln – entfernt werden.

Somit sollten die Polymersomen länger im Blut zirkulieren und besser in Zielgewebe gelenkt werden können. Daher wurden in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Rolf Schubert verschiedene Herstellungsmethoden für Polymersomen entwickelt, mittels Cryo-Elektronenmikroskopie die Vesikelstrukturen untersucht und die Tauglichkeit als Drug Carrier getestet (Dissertation Dr. Anja Rank). In der Arbeitgruppe von Prof. Dr. Regine Süss wurden verschiedene Polymersomen zum Gentransfer eingesetzt (Dissertation Dr. Stefanie Häfele).

Förderung
Dieses Projekt wurde von der Volkswagen-Stiftung gefördert und in enger Kooperation mit drei anderen Arbeitsgruppen durchgeführt: Prof. Dr. Stephan Förster vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Hamburg war federführend für das Gesamt-Projekt der Volkswagenstiftung "Block-Copolymer-Vesikel mit kontrollierten Aufnahme- und Freisetzungsfunktionen für Arzneistoffe und Gene". Weitere beteiligte Gruppen waren Prof. Dr. Dr. h.c. Markus Antonietti vom MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam-Golm und Prof. Dr. Christian Mayer vom Institut für Chemie der Universität Duisburg-Essen.

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