Es gelingt, einen supramolekularen Käfig zu konstruieren und mit Wirkstoffen zu beladen. In wässriger Lösung öffnen Ultraschallwellen den Käfig und geben den Wirkstoff frei. (Grafik: HHU / Robin Küng)
Im Käfig zum Wirkort
05.05.2021 – Wie transportiert man einen hochwirksamen Wirkstoff genau an den Ort, wo er im Körper wirken soll? Chemiker der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) stellen zusammen mit Aachener Kollegen in der Zeitschrift Angewandte Chemie einen Lösungsansatz mit einem Molekülkäfig vor, der sich bei Ultraschallbestrahlung öffnet.
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.
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.
„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
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 Molekül 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.“
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.“
Studienleiter Dr. Bernd Schmidt (links) mit seinen Mitarbeitern Robin Küng (Mitte) und Tobias Pausch (rechts). (Foto: HHU / Tom Kunde)
Originalpublikation
Robin Küng, Tobias Pausch, Dustin Rasch, Robert Göstl und Bernd M. Schmidt, Mechanochemical Release of Non-Covalently Bound Guests from a Polymer-Decorated Supramolecular Cage, Angew. Chem. Int. Ed. (2021)
Grafische Darstellung des Oktaeder-förmigen Käfigs, der durch Palladiumatome an den Ecken, die wiederum an lange organische Polymerketten verknüpft sind, zusammengehalten wird. Der Käfig birgt Wirkstoffmoleküle (orange Kugel). Im mittleren und linken Bild bewirken Ultraschallwellen Scherkräfte auf die Polymerketten, wodurch schließlich der Käfig zerbricht und das Wirkstoffmolekül entlässt. (Grafik: HHU / Robin Küng)
Dr.rer.nat. Arne Claussen
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An ihrer Medizinischen, Mathematisch-Naturwissenschaftlichen, Philosophischen, Wirtschaftswissenschaftlichen und Juristischen Fakultät studieren rund 37.000 Studierende. Im Fokus der Forschung stehen traditionell die Lebenswissenschaften, ergänzt unter anderem durch Schwerpunkte wie Wettbewerbsforschung, Internet und Demokratie, Algebra und Geometrie sowie Sprache – Wissen – Kognition. 2018 wurde der seit 2012 bestehende HHU-Exzellenzcluster CEPLAS, der die künftige Welternährung durch Nutzpflanzen erforscht, im Rahmen der „Exzellenzstrategie“ von Bund und Ländern bestätigt.
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