Insulin als fliegender Wirkstoff

Dmitry V. Volodkin und Regine von Klitzing (TU Berlin) sowie Helmuth Möhwald vom Max-Planck-Institut für Kolloid und Grenzflächenforschung (Potsdam) haben ein neues Transportsystem entwickelt, um Arzneimittel zielgerichtet an ihren Wirkort zu bringen. Die neue Methode wurde am Protein Insulin durchgeführt (Angewandte Chemie,
International Edition, DOI: 10.1002/anie.201005089)

Proteine als Therapeutikum
Proteine finden aufgrund ihrer hohen biologischen Aktivität und spezifischen Wirkung immer häufiger Anwendung als Arzneimittel. Sie verleihen der Zelle nicht nur Struktur, sondern sind die molekularen „Maschinen“, die Stoffe transportieren, Ionen pumpen, chemische Reaktionen katalysieren und Signalstoffe erkennen. Will man Proteine an einen bestimmten Wirkort bringen und die Wirkdauer verlängern, hat sich der Einsatz von Nano- und Mikrotransportern bewährt. Dabei ist die Herstellung von Proteinpartikeln mit einheitlichen Eigenschaften hinsichtlich der Größe, Morphologie, Zusammensetzung und Dichte, die größte Herausforderung. Weisen die Proteine diese Eigenschaften auf, kann der Wirkstoff schnell resorbiert werden und gezielt dort zur Verfügung stehen, wo er gerade gebraucht wird.

Konventionelle Methoden zur Herstellung von Proteinpartikeln wie Kristallisation, Sprüh- und Gefriertrocknung sowie der Einbau in Polymermatrizen oder Liposomen, erschweren die Kontrolle der Morphologie und der Größe der Partikel. Verwendet man organische Lösungsmittel, setzt die Partikel hoher Hitze oder Gas-Wasser-Grenzflächen aus, ist die Proteinstabilität nur noch schwer zu kontrollieren. Zusatzstoffe können zudem unerwünschte Nebenwirkungen hervorrufen. Ferner ist die einheitliche Partikelgröße ein bedeutender Parameter, um eine hohe systemische Bioverfügbarkeit und eine kontrollierte Freigabe des Wirkstoffs zu erreichen. Infolgedessen ist die Herstellung einheitlicher, zusatzstofffreier Proteinpartikel für die Verabreichung von Arzneimitteln entscheidend.

Insulin – ein hochkonzentrierter Wirkstoff
Die Lösung für solch ein Protein-Transportsystem fanden die Forscher in Mikropartikeln aus Kalziumkarbonat. Mithilfe eines wechselnden pH-Wertes wurde das Protein Insulin in die Kalziumkarbonatpartikel „eingeschleust“. Zunächst wird das Insulin ohne Zugabe von Zusatzstoffen oder organischen Lösungsmitteln in einer wässrigen Lösung aufgelöst und mit Kalziumkarbonat-Mikrokernen zusammengebracht, die als eine Art Schablone für die Proteinpartikel funktionieren.

Die so entstandenen Schablonen oder Template sind nicht toxisch, gleichmäßig verteilt und sehr stabil. Dazu kommen die Vorteile der günstigen Herstellung und der einfachen Vorbereitung. Zu Beginn des Prozesses liegt der pH-Wert der wässrigen Lösung des flüssigen Insulins und der noch stabilen Kalziumkarbonatkerne im neutralen bis alkalischen Bereich. Wird der pH-Wert der Lösung durch Salzsäure in den sauren pH-Bereich überführt, wird das Insulin unlöslich. Das Protein flockt in den Poren des Kalziumkarbonatkerns aus und reichert sich in den Poren weiter an. Ein unlösliches Proteinagglomerat in den Mikrokernen entsteht. Während die Lösung weiter neutralisiert wird, zerfällt wiederum der Kalziumkarbonatkern und dieentstandene Insulinmatrix schrumpft zu einem kompakten Proteinkügelchen. Da der Zerfall der Kalizumkarbonatkerne bei einem milden pH-Wert stattfindet, bei dem das Insulin seine chemischen Eigenschaften bewahrt, zerfällt die Proteinmatrix nicht.

Die auf diese Weise entstandenen Proteinmikrokugeln, sind von einheitlicher Größe, benötigen keine Additive und können leicht hergestellt werden. Die Proteine sind locker gepackt, so dass die Partikel wie bei einem Spray fliegen, leicht verteilt und im Körper gut aufgelöst werden können. Vorstellbar wäre, dass zukünftig ein Insulinspray die lästige und belastende Spritze bei Diabetes ersetzen könnte. Diese vielversprechende Methode beschränkt sich aber nicht nur auf Insulin, sondern findet auch breitere Anwendbarkeit. Entscheidend ist, dass die Stabilität bzw. Auflösung des Templates und die Wirkstofflöslichkeit über einfach einstellbare Parameter wie den pH-Wert variiert werden können.

Originalveröffentlichung
Dr. Dmitry V. Volodkin, Prof. Dr. Regine von Klitzing, Prof. Dr.
Helmuth Möhwald: Pure Protein Microspheres by Calcium Carbonate Templating.
Angewandte Chemie, International Edition
DOI: 10.1002/anie.201005089