Materialforschung Neues Polymer-Gel ermöglicht Pillen mit langer und steuerbarer Wirkabgabe

Redakteur: Robert Di Marcoberardino

US-Forscher haben ein Polymer-Gel entwickelt, das die zeitgesteuerte Abgabe von Medikamenten im Magen ermöglicht. Auch elektronische Geräte, die den Verdauungstrakt überwachen, sind ein mögliches Einsatzgebiet.

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Shiyi Zhang vom MIT hält einen ringförmigen Prototyp, der sich in eine schluckbare Kapsel falten lässt.
Shiyi Zhang vom MIT hält einen ringförmigen Prototyp, der sich in eine schluckbare Kapsel falten lässt.
(Bild: MIT)

Medizinische Applikationen, die im Bauchraum verbleiben, bieten bislang verschiedene Anwendungsmöglichkeiten: Dazu zählen die verzögerte Abgabe eines Medikamenten-Wirkstoffs, die Überwachung von Körperfunktionen oder Eingriffe zur Gewichtsreduzierung. Allerdings werden die Medikamente und Geräte oft aus nichtabbaubaren elastischen Polymeren hergestellt, die zu Darmverschlüssen und Rissen führen können, wenn sie sich im Körper bewegen – in der Regel müssen sie deshalb schnell wieder aus dem Körper abgeführt werden.

Forscher des MIT Koch Institute for Integrative Cancer Research und vom Massachusetts General Hospital (MGH) haben nun ein Polymer-Gel entwickelt, das diese Sicherheitsrisiken überwindet. Das neue Material könnte die Entwicklung langwirkender Medikamente und Geräte ermöglichen, wie zum Beispiel oral zugeführte Kapseln, die ihren Wirkstoff gesteuert über Tage, Wochen und möglicherweise sogar Monate abgeben können.

Polymer bleibt in der Magensäure stabil

Das Polymer reagiert auf den PH-Wert und bleibt in der Magensäure stabil, zersetzt sich aber im fast neutralen PH-Wert des Dünndarms, was den sicheren Abtransport über den Magen-Darm-Trakt ermöglicht. Das Material ist außerdem elastisch und lässt sich verformen, was die orale Aufnahme vereinfacht und eine lange Wirkzeit im Magen ermöglicht.

Für den Forscher Giovanni Traverso steht fest, dass das Material „einen echten Vorteil bietet, weil es gleichzeitig sicher und stabil ist“. Außerdem wären Notoperationen in Folge von Unregelmäßigkeiten, wie bei den bisherigen Lösungen, praktisch nicht mehr nötig. Veröffentlicht haben die Forscher ihre Ergebnisse im „Nature Materials“-Magazin.

Die Schwierigkeit beim Entwickeln von Applikationen für den Bauchraum stellt die natürliche Magenfunktion dar, die den Inhalt in der Regel innerhalb von Stunden leert. Damit Kapseln oder Geräte im Magen verbleiben, müssen sie größer als der Magenpförtner sein – das Ventil am Magenausgang hat in der Regel einen Durchmesser von 1,5 bis 2 Zentimeter.

Weil jedoch die typische Aufnahme über die Speiseröhre erfolgt, die nur unwesentlich größer ist, lassen sich die Geräte und Kapseln nicht beliebig groß designen. Ein elastisches Polymer bietet hier deutliche Vorteile. „Eine elastische Applikation könnte zur einfachen Einnahme in eine Kapselform gebracht werden, die sich erst im Bauchraum auf ihre endgültige Form ausbreitet“ erklärt Shiyi Zhang, der Hauptautor der Arbeit.

Um die Verletzungsgefahr vollends auszuschließen, muss sich das neue Material aber auch beim Transport durch den Darmtrakt selbständig auflösen. Dazu wurde ein synthetisches und elastisches Polymer entwickelt und mit einem klinisch verwendeten magensäure-resistenten Polymer kombiniert. Durch Hinzufügen von Hydrochlorid-Säure entstand ein flexibles aber widerstandsfähiges Polymer, das sowohl elastisch als auch magensäure-resistent ist.

Die Forscher verwendeten mit Polycaprolacton-Gel (PCL) ein ungiftiges, abbaubares Polyester um mehrere Prototypen zu testen. Die ersten elastischen Applikationen hatten einen Durchmesser von 3 Zentimetern, bevor sie in schluckbare Kapseln umgeformt wurden.

Bei Tests an Schweinen zeigte sich, dass die Kapseln innerhalb von 15 Minuten im Magen ihre eigentliche Form annehmen und für über sieben Tage im Bauchraum blieben. Im Darm löste sich dann das Polymer-Gel auf und ermöglichte dadurch den sicheren Abtransport der kleineren PCL-Teilchen.

Die Forscher versprechen sich viel von dem neuen Material: Es könnte in der Bariatrie, bei der Behandlung von stark Übergewichtigen eingesetzt werden. Solch eine Applikation könnte steuern, wie hungrig oder „voll“ sich ein Patient fühlt. Auch elektronische Geräte, die den Verdauungstrakt überwachen, sind ein mögliches Einsatzgebiet. Und natürlich zur Steuerung der Wirkdauer von Medikamenten.

Besonders bei letzterem erwarten die Forscher große Möglichkeiten. Durch die Optimierung des Polymers soll sich die Wirkdauer auch auf Wochen oder sogar Monate verlängern lassen. Das MIT verhandelt eine Lizenzvereinbarung mit Lyndra, einer Biotechnik-Firma, die neue Systeme zur oralen Medikamenten-Aufnahme entwickelt.

MIT-Professor Robert Langer freut sich, dass „dieses neue System eine Möglichkeit eröffnet, die es bislang nicht gab. Es ermöglicht den Patienten eine einzige Pille zu schlucken, deren Wirkzeit jede gewünschte Dauer einnehmen kann.“

Besonders wichtig ist dieser Aspekt, wenn man die Zahlen der WHO betrachtet: Nur 50 Prozent der chronisch kranken Patienten in entwickelten Ländern befolgen die Anweisungen ihres Arztes bezüglich der Medikamenten-Einnahme. In den USA verursacht dieses Problem Kosten von über 100 Milliarden US-Dollar im Jahr, meist aufgrund von vermeidbaren stationären Krankenhausaufhalten. Allerdings könnte auch die Behandlung von Malaria und anderen Infektionskrankheiten stark davon profitieren.

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