Biophysik

Mikroskopisch kleine Kapseln für Wirkstoffe

Mikroskopische Kapsel zum Transport von Wirkstoffen. Foto: Science

11.04.2002, Pressemitteilungen

Durch Selbstorganisation von kolloidalen Partikeln lassen sich Wirkstoffe effektiv einkapseln

In vielen Anwendungen und Technologien werden Wirkstoffe in kleine Kapseln verpackt. So müssen beispielsweise in der Medizin Arzneistoffe eingekapselt werden, um sie an der richtigen Stelle im Körper freizusetzen. Bei den bisher verwendeten Techniken ist von großem Nachteil, dass die Freisetzung der Wirkstoffe weitgehend unkontrolliert geschieht. Eine Gruppe von Wissenschaftlern um Andreas Bausch, Professor für Biophysik an der Technischen Universität München, und Professor David Weitz von der Harvard University berichten in der jüngsten Ausgabe des Wissenschaftsjournals Science vom 1. November 2002 (Vol. 298, S. 1006) von einer neuartigen, universell einsetzbaren Technik zur Herstellung solcher Kapseln. Sie erlaubt die kontrollierte Freisetzung von Wirkstoffen aus dem Inneren der Kapsel durch Löcher definierter Größe. Da die Technik auch für biologische Systeme sehr verträglich ist, eröffnet sie neue Möglichkeiten für Anwendungen bei sogenannten "functional foods", der Applikation von Medikamenten bis hin zur Biomedizin.

Die Wissenschaftler benannten ihre neu entwickelten Kapseln "Kolloidosome", da die Technologie auf der Selbstorganisation von sogenannten kolloidalen Partiklen (Mikrometer bis Nanometer kleine Partikeln) basiert. Die Herstellung und Befüllung der Kapseln passiert in einem Schritt: Die Wissenschaftler verwenden eine Emulsion, bei der zwei nicht mischbare Flüssigkeiten, die sich wie Wasser und Öl verhalten, stark verrührt werden. Dadurch verteilen sich winzige Tröpfchen der einen Flüssigkeit in der anderen. In solchen Tröpfchen befindet sich der Wirkstoff, der eingekapselt werden soll. Die kolloidalen Partikel lagern sich nun von selbst auf den Oberflächen der Tröpfchen an und bilden dort eine Hülle. Dabei entstehen definierte Löcher oder Poren auf der Oberfläche. Durch verschiedene Techniken werden die Partikel anschließend so miteinander verbunden, dass eine stabile Schale entsteht. Durch Wahl der Größe der verwendeten kolloidalen Partikel kann die Porengröße genau eingestellt werden. Die Wissenschaftler erhalten auf diese Weise ein "Nano-Sieb", bei dem sie die Durchlässigkeit im Bereich von wenigen Nanometern (Millionstel Millimetern) genau einstellen können. Besonders für teure Wirkstoffe wie Proteine ist es günstig, dass die Einkapselung von Wirkstoffen verlustfrei geschieht, berichtet Michael Nikolaides, der bei Prof. Bausch über das Thema seine Diplomarbeit geschrieben hat.

Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass als Ausgangsmaterial für die Kolloidosome eine Vielzahl von Stoffen (z.B. verschiedene Polymerpartikel oder Glaspartikel) verwendet werden kann, was einen vielfältigen Einsatz der Technologie ermöglicht. Ein besonderer Vorteil ist, dass die Technologie für biologische Stoffe sehr verträglich ist, und beispielsweise die Einkapselung von lebenden Zellen möglich ist. Dadurch könnte man die Kolloidosome zur Behandlung von Erkrankungen wie z.B. Diabetes einsetzen. Für Anwendungen dieser Art ist die definierte Porengröße entscheidend: Das Nano-Sieb würde den Austausch von kleinen Molekülen weiterhin ermöglichen, während die Immunabwehr keine Möglichkeit hat, die eingekapselten Zellen anzugreifen. Außerdem lassen sich die mechanischen Eigenschaften der Kolloidosome über weite Bereiche variieren, um die Freisetzung der Wirkstoffe durch mechanische Zerstörung genau zu kontrollieren. Dies kann beispielsweise für die kontrollierte Freisetzung von Geschmacksstoffen beim Kauen verwendet werden.

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Prof. Dr. Andreas Bausch
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