Robert Klatt
MOF-Jets können mit einem sanften Druckstoß Impfstoffe und Medikamente durch die Haut verabreichen. Die nadelfreie Behandlung ist schmerzfrei und könnte die Krebsbehandlung verbessern.
Dallas (U.S.A.). Ein Großteil der Impfstoffe und biologischen Arzneimittel kann derzeit nur per Spritze verabreicht werden. Forscher der University of Texas um Dr. Jeremiah Gassensmith haben als Alternative den sogenannten MOF-Jet entwickelt, der Impfstoffe und Medikamente mit einem sanften Druckstoß durch die Haut verabreichen kann. Die nadelfreie Behandlung ist mit dem Kontakt mit einem weichen Spielzeug vergleichbar.
Die Inspiration für das Projekt entstand aus einer Langeweile heraus, während der Covid-19-Pandemie. Gassensmith hatte kostengünstige Komponenten eines durch Druckluft betriebenen Injektionssystems bestellt, um während der häuslichen Isolation damit zu experimentieren. Später, als alle wieder vor Ort waren, übergab er diese Teile an die Doktorandin Yalini Wijesundara, mit der Aufgabe, zu erforschen, was damit möglich ist.
Wijesundara hat zuvor bereits andere Druckluft-Injektoren erforscht, die schon in den 1960er-Jahren zur Verwendung kamen und eine schmale Flüssigkeitsströmung injizieren konnten. Sie vermutete, dass wenn diese Injektoren so modifiziert werden könnten, dass sie feste Stoffe abfeuern, sie auch in Metall-Organischen Gerüsten, oder MOFs, eingekapselte Frachten abliefern könnten. Diese Gerüste sind poröse, kristalline Strukturen, die wie molekulare Käfige fungieren und eine breite Palette von Materialien, einschließlich Nukleinsäuren und Proteinen, einschließen können.
Laut der Publikation im Fachmagazin Chemical Science gelang es durch die Kombination des Druckluft-Injektors mit der bestehenden MOF-Forschung, den sogenannten MOF-Jet zu entwickeln. Dieser Jet kann Pulver zu Zellen transportieren, indem er sie buchstäblich mit Luft hineinschießt.
Druckluft-Injektoren fanden früher breite Anwendung im Militär, doch sie waren schmerzhaft und die injizierte Flüssigkeit spritzte oft zurück, was das Risiko der Verbreitung anderer Krankheiten, wie Hepatitis B, erhöhte. Ein moderner Nachfahre dieser Geräte ist die Gengewehr, die hauptsächlich in der Veterinärmedizin eingesetzt wird und mehrere zehntausend Euro kosten kann. Auch diese Geräte schießen biologische Fracht in Zellen. In diesem Fall ist die Fracht an der Oberfläche von Metallmikropartikeln, meist aus Gold oder Wolfram, befestigt. Sobald diese jedoch die Haut durchdringen, verbleiben die Metallpartikel dort und können den Abbau des biologischen Materials beschleunigen.
Eine alternative Methode könnte darin bestehen, die Fracht in einem MOF zu platzieren. Gassensmiths Team hatte zuvor bereits mit dem MOF namens Zeolithisch-Imidazolat-Gerüst acht, oder ZIF-8, gearbeitet.
„Im Vergleich zu Gold ist es preiswert und schützt biologische Materialien wie Nukleinsäuren. Außerdem können wir darin Impfstoffformulierungen als Pulver bei Raumtemperatur lagern, was die Notwendigkeit der extrem niedrigen Temperaturen, die viele flüssige Impfstoffe erfordern, überflüssig macht.“
Das Team kapselte eine Reihe von biologischen Materialien in ZIF-8 ein, was dazu beitrug, ihren zu schnellen Abbau zu verhindern. Um diese Materialien in Zellen einzuschleusen, verwendeten sie ihren eigenen modifizierten MOF-Jet. Wijesundara konstruierte Projektile für das Gerät, jedes beladen mit einer Dosis funktionalisiertem ZIF-8, und mit einem Gasstoß wurde die pulverisierte Formulierung in die Zellen befördert. Sie testeten ihr System und konnten zeigen, dass der MOF-Jet ein in ZIF-8 eingekapseltes Gen zu Zwiebelzellen und ein in ZIF-8 eingekapseltes Protein zu Mäusen transportierte.
Wijesundara erkannte bald, dass die Freisetzung der Fracht einfach durch das Wechseln des Trägergases des Injektors reguliert werden könnte. ZIF-8 reagiert empfindlich auf saure Umgebungen, und wenn Kohlendioxid mit Wasser in Zellen reagiert, entsteht Kohlensäure, die wiederum hilft, das MOF zu zerlegen.
„Wenn man es mit Kohlendioxid beschießt, wird es seine Fracht schneller in den Zellen freisetzen; wenn man normale Luft verwendet, wird es vier oder fünf Tage dauern.
Das bedeutet, dass dasselbe Medikament über verschiedene Zeiträume freigesetzt werden könnte, ohne seine Formulierung ändern zu müssen
Das Team nutzt diese Methode nun, um Chemotherapeutika und Adjuvantien zur potenziellen Behandlung von Melanomen, der schwersten Form von Hautkrebs, zu liefern. Sie sind überzeugt, dass der MOF-Jet, da er Material über ein weites Gebiet verteilen kann, ein Krebstherapeutikum gleichmäßiger in ein Melanom einbringen könnte als mit einer Nadel, der derzeitigen Verabreichungsmethode.
Einfach durch die Kontrolle des Trägergases könnten sie Chemotherapeutika mit einer schnellen oder langsamen Freisetzung liefern, abhängig von den Bedürfnissen des Patienten. Obwohl die Forschung noch andauert, liefern vorläufige Experimente vielversprechende Ergebnisse. Wijesundara und Gassensmith betonen, dass die Anpassungsfähigkeit ihres MOF-Jets eine Vielzahl von Anwendungen ermöglichen könnte, von der Veterinärmedizin über die Landwirtschaft bis zu menschlichen Impfungen oder Behandlungen in der Zukunft.
Chemical Science, doi: 10.1039/d2sc04982a
