Biologische Barrieren

Woran liegt es eigentlich, dass man Insulin nicht einfach als Tablette einnehmen kann? Millionen von Diabetikern  müssen sich das Bauchspeicheldrüsen-Hormon täglich per Spritze verabreichen. Insulin gehört zu den meistverkauften Medikamenten weltweit. Kein Zweifel: Eine Insulin-Pille wäre für die meisten Patienten eine gewaltige Erleichterung – und für die Hersteller ein Riesengeschäft.

Dass die einfache und bequeme Darreichungsform nicht funktioniert, hat mit einer biologischen Barriere zu tun: Dem Darm-Epithel. Insulin ist ein großes Molekül und kann die Darmwand nur sehr schlecht durchdringen. Da es zur Stoffklasse der Eiweiße oder Proteine gehört und biologischen Ursprungs ist, wird es überdies im Darm schnell abgebaut – schlechte Voraussetzungen für ein Medikament zum Schlucken. Gelangen die Insulin-Moleküle dagegen in den Blutkreislauf, erreichen sie effektiv und unbeschädigt ihre Zielzellen, insbesondere in den Muskeln und der Leber, wo sie ihre Wirkung entfalten und die Aufnahme von Zucker in Gang setzen können.  

Makrophagen oder "Fresszellen", hier hellgrün dargestellt, sind ein spezialisierter Typ von Immunzellen. Durch eine Technik der Überlagerung von elektronen- und fluoreszenzmikroskopischen Aufnahmen können Wissenschaftler feststellen, wie gut die Makrophagen Partikel (im Bild länglich und blau) aufnehmen können. Im Inneren oder auf der Oberfläche solcher Partikel lassen sich Wirkstoffe an ihren Zielort in der Zelle transportieren. Foto: HZI/Universität Marburg

Neben der Darmoberfläche zählen auch die Deckgewebe (Epithelien) von Haut und Lunge zu den  äußeren biologischen Barrieren des menschlichen Körpers. Will man den Einsatz von Spritzen vermeiden, muss jedes Arzneimittel zunächst einmal eine von ihnen – möglichst unverändert – durchdringen, ehe es an seinen „Einsatzort“ im Körper gelangen und dort seine Wirkung entfalten kann.
Doch auch wenn man den Wirkstoff direkt ins Blut spritzt, hat er nicht in jedem Fall schon seinen Bestimmungsort erreicht. Die Blut-Hirn-Schranke beispielsweise ist eine weitere biologische Barriere, die den Übertritt von Substanzen aus dem Kreislauf in das Nervensystem blockiert. Soll ein Medikament im Gehirn wirken, muss es auch diese Hürde bewältigen.

Wenn Arzneimittel ihre Wirkung im Inneren bestimmter Zellen entfalten sollen, stellt oft auch die Membran der Zielzelle ein Hindernis dar, das mit ausgeklügelten Strategien überwunden werden muss. Bei der Gentherapie, bei der man gezielt Erbsubstanz in das Zellinnere einschleust, ist die „Drug Delivery“, der Transport des Wirkstoffs an seinen Einsatzort, oft das kniffligste Problem des ganzen Verfahrens. Medikamentenentwickler lösen es beispielsweise, indem sie Viren als „Gen-Transporter“ einsetzen: Diese infektiösen Partikel sind regelrecht darauf spezialisiert, mit hoher Zielgenauigkeit in bestimmte Zellen einzudringen und dort Erbmaterial einzuschleusen – im Normalfall ihr eigenes, bei der Gentherapie die von den Biomedizinern mitgelieferten DNA-Abschnitte. Dieser Weg ist allerdings nicht ohne Risiken, weshalb alternativ dazu auch an chemisch hergestellten Gentransfersystemen gearbeitet wird. 

Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme von menschlichen Lungenepithelzellen in Zellkultur. Mit solchen primären Alveolarzellen im Reagenzglas untersuchen Wissenschaftler am HIPS, wie verschieden behandelte Partikel mit den Lungenbläschen wechselwirken - und wie man Wirkstoffe über deren Membran schleusen kann. (Färbung: Cytokeratin für die innere Zellstruktur (grün), Occludin zur Färbung der Zellkontakte (rot) und DAPI zur Zellkernfärbung (blau). Foto: HZI

Nicht nur im menschlichen Körper finden sich biologische Barrieren: Wenn ein Antibiotikum zwar im Reagenzglas die richtigen chemischen Prozesse auslöst, beim Einsatz gegen Bakterien jedoch versagt, kann es daran liegen, dass die Substanz nicht durch die Zellwand des Krankheitserregers gelangt. Auch im Kampf gegen Infektionen ist „Drug Delivery“ häufig das A und O.

Forscher am HZI verfolgen zwei Hauptansätze, um dem Wirkstofftransport auf die Sprünge zu helfen: Mit „In-vitro-Modellen“ (IVM), nachgebauten Imitaten von Darm-, Haut-  oder Lungenepithel, erforschen sie die Eigenschaften biologischer Barrieren. Und mit „Delivery-Technologien“ verpacken sie die Wirkstoffe so, dass sie leichter durch die Barriere gelangen – etwa indem sie sie in eine schützende Hülle verkapseln und diese bei Bedarf zusätzlich mit Signalmolekülen beschichten, die von der Zielzelle erkannt und aktiv aufgenommen werden. Für ihre In-vitro-Modelle erfahren HZI-Wissenschaftler übrigens auch außerhalb der Fachwelt Anerkennung: Weil die Epithel-Nachbildungen aus kultivierten Zellen manche Untersuchung möglich machen, für die man in konventionellen Verfahren Versuchstiere einsetzen muss, wurden die Entwickler mehrfach mit Tierschutz-Forschungspreisen ausgezeichnet.

(Manfred Braun)

Audio Podcast

Displaying results 1 to 1 out of 1

  • Kündigung für Biofilm-WGs – Pharmazeuten des HIPS stören Bakteriengemeinschaften
    Bakterien haben einen ausgeprägten Gemeinschaftssinn und verschanzen sich gerne in schleimigen Biofilmen. Etwa 60 Prozent aller bakteriellen Infektionen lösen inzwischen Biofilme aus. Ein besonders geselliger Keim ist Pseudomonas aeruginosa. Er ist besonders für Mukoviszidose-Patienten gefährlich. Wissenschaftler am Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland suchen nach Wegen, seine Biofilme aufzulösen – damit Medikamente wirken können. Begleiten Sie Anke Steinbach in Ihre Labore...

Displaying results 1 to 1 out of 1

Forschungsgruppe