Biotechnologie
Nutzung von Rotaxan‑Strukturen für nächste‑Generation‑Freisetzungssysteme in Medizin und Technologie
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Arzneimittelabgabe und selbstreparierende Materialien mit Rotaxan
Delivering molecules at a precise point is a very difficult task, but it is required for many medicines, like cancer treatments, to work. Until now, most delivery systems have been limited to activation by chemical interactions or suffered from poor performance. Similarly, self-repairing materials would need to release the repair system when exposed to mechanical stress. Thanks to a new molecular structure called rotaxane, discovered by researchers at the University of Manchester, UK, both of these innovations might be possible.
Was ist ein Rotaxan?
Rotaxane sind ineinandergreifende Moleküle, bei denen ein kreisförmiges Molekül (Donut‑Form) von einem längeren Polymer durch sein Zentrum durchdrungen wird.
Im Fall der Entdeckung der University of Manchester verwendeten sie ein langes und komplexes Molekül, das empfindlich auf mechanische Kraft reagiert.
Entlang der Kette des Moleküls banden sie sogenannte „Frachtmoleküle“ von Interesse, in Blau in diesem Schema:
Quelle: Nature
Wenn Kraft auf das Material ausgeübt wird, drückt der donutförmige Teil der Rotaxane und setzt die Frachtmoleküle frei.
Damit wird dieses Rotaxan‑Molekülmodell gleichzeitig zu einem perfekten Detektor für Kraft und Freisetzungsmechanismen.
Quelle: Nature
Verbesserte Rotaxane
Eine kraftinduzierte chemische Freisetzung ist an sich kein neues Konzept. Frühere Systeme waren jedoch in der Anzahl der Moleküle, die sie freisetzen konnten, begrenzt, wobei pro Kraftdetektor nur ein Molekül freigesetzt wurde.
„Kräfte sind in der Natur allgegenwärtig und spielen entscheidende Rollen in verschiedenen Prozessen. Unser Ziel war es, diese Kräfte für transformative Anwendungen zu nutzen, insbesondere für Materialbeständigkeit und Arzneimittelabgabe.“
„Obwohl dies nur ein Proof‑of‑Concept‑Design ist, glauben wir, dass unser rotaxan‑basierter Ansatz ein enormes Potenzial mit weitreichenden Anwendungen birgt – wir stehen am Rande wirklich bemerkenswerter Fortschritte im Gesundheitswesen und in der Technologie.“ – Guillaume De Bo, Professor für Organische Chemie an der University of Manchester
Alternativ können physikalische Einschlussstrategien verwendet werden, um eine größere Frachtlast zu transportieren, doch diese unterliegen häufig einer ungewollten Freisetzung, die nicht mechanisch ausgelöst wird.
Das neue Rotaxan‑Design kann stattdessen viele Moleküle gleichzeitig (bis zu 5) in kontrollierter Weise freisetzen.
In der Praxis kann die Freisetzung entweder durch mechanische Belastung (z. B. einen Stoß oder Kratzer auf einem Handy‑Bildschirm) oder durch gezielten Ultraschall ausgelöst werden, wodurch ein Medikament gezielt nur an einer Tumorstelle freigesetzt wird.
Eine weitere Einschränkung des vorherigen Systems war die Beschränkung, welche Molekülarten freigesetzt werden konnten, wodurch sie für innovative Medikamente ungeeignet waren.
Die Forscher haben in ihrer wissenschaftlichen Veröffentlichung in Nature gezeigt, dass ihr System für Arzneistoffe, fluoreszierende Marker, Katalysatoren und Monomere verwendet werden könnte, was zahlreiche potenzielle Anwendungen eröffnet.
Zusätzlich bietet ein solches System die Möglichkeit, verschiedene Frachteinheiten in einer definierten Reihenfolge freizusetzen.
Anwendungen von Rotaxanen
Biotechnologie
Die unmittelbarste Anwendung wird in Arzneimittelabgabesystemen liegen. Derzeit wird dieses Feld von der zunehmenden Nutzung von Antikörper‑Arzneimittel‑Konjugaten dominiert.
Dank der punktgenauen Natur der Ultraschalltherapie könnten rotaxan‑basierte Abgabesysteme eine Medikamentenabgabe nur an spezifischen Punkten des Körpers ermöglichen. Das System wurde bereits für die Abgabe von Doxorubicin, einem potenten breit wirksamen Chemotherapeutikum, getestet.
Die ersten Forschungsergebnisse zeigten eine Freisetzungseffizienz von 71 % mittels Ultraschall und 65 % im Doxorubicin‑Test.
Selbstreparierende Materialien
Viele Materialien, von Metallen bis Kunststoffen, würden davon profitieren, sich selbst „heilen“ zu können, wenn sie mechanischer Belastung, Rissen oder Stößen ausgesetzt sind.
Da Rotaxane, die auf mechanische Kraft reagieren, nur am Punkt der Belastung aktiv werden, könnten sie verwendet werden, um Reparatursysteme genau dort freizusetzen, wo sie benötigt werden, bevor der Schaden größer wird.
Dies könnte die Möglichkeit von selbstreparierenden Bildschirmen, Metallteilen oder sogar Beton eröffnen.
Die selbstreparierenden Eigenschaften würden nicht ewig anhalten, könnten jedoch die Haltbarkeit von Materialien deutlich verbessern. Insbesondere, da die Schäden zweimal am selben Ort auftreten müssten, wo die Rotaxane bereits erschöpft sind, damit die Reparatureigenschaften versagen.
Sensoren & Sicherheit
Da dieses neue Rotaxan‑System auch zur Freisetzung von fluoreszierenden Markern (und potenziell Farbstoffen) verwendet werden kann, könnte es als „Warnsystem“ für Schäden dienen, die sonst unsichtbar bleiben würden. Dies könnte sehr nützlich sein, um mechanische Belastungen oder Metallermüdung in Strukturen und Maschinen aufzudecken, bevor ein tatsächlicher katastrophaler Bruch eintritt.
Es könnte gleichermaßen verwendet werden, um die Integrität einer Dichtung oder eines Behälters zu prüfen, etwa bei pharmazeutischen oder Lebensmittelprodukten.
Rotaxan‑Unternehmen
Rotaxane sind derzeit noch eine stark experimentelle Molekülklasse, die hauptsächlich in Laboren hergestellt und untersucht wird. Einige Unternehmen experimentieren jedoch bereits mit selbstreparierenden Materialien und ultraschallbasierten Arzneimittelabgabesystemen.
1. EXACT Therapeutics (EXTX)
Dieses Biotech‑Startup nutzt seine akustisch‑vermittelten Therapien (Acoustic Cluster Therapy oder ACT), um Krebs zu behandeln, indem die Aufnahme von Chemotherapie durch die Krebszellen erhöht wird.
Quelle: Exact Therapeutics
Das Unternehmen befindet sich derzeit in Phase 2 klinischer Studien für Bauchspeicheldrüsenkrebs und in Phase 1 für Patienten mit Lebermetastasen sekundär zu kolorektalem Krebs.
Derzeit verwendet es negativ geladene Mikrosphären und positiv geladene Mikrotropfen, könnte aber in Zukunft Rotaxane einsetzen, um eine noch konzentriertere und effizientere Arzneimittelabgabe zu erreichen.
2. Arkema (AKE.PA)
Das französische Unternehmen ist ein Hersteller von Chemieprodukten, entstanden als Spin‑off des petrochemischen Unternehmens Total, und konzentriert sich auf Klebstoffe, Beschichtungen und fortschrittliche Materialien, jeweils etwa ein Drittel der Gesamtaktivität.
Bemerkenswerterweise arbeitet es seit 2009 an selbstreparierenden Elastomeren und Gummis.
Das Unternehmen ist in vielen chemischen Klassen aktiv und wird in praktisch allen Branchen eingesetzt.
Quelle: Arkema
Arkemas Strategie ist es, in jedem von ihm besetzten Nischenmarkt führender Anbieter zu sein und in 90 % des Portfolios weltweit Platz 1 bis 3 zu belegen.
Angesichts der langjährigen Präsenz im Bereich selbstreparierender Materialien und des wertvollen geistigen Eigentums des Unternehmens könnte es ein primärer Kandidat sein, künftig kommerzielle Rotaxan‑Technologie einzusetzen.
3. Autonomic Materials
Quelle: Autonomic Materials
Das privat notierte Unternehmen spezialisiert sich auf selbstheilende Materialien, insbesondere Beschichtungen gegen Korrosion, mit einer breiten Palette von Anwendungen und Branchen.
Die Beschichtungschemikalien des Unternehmens reagieren sofort, sobald ein Mikroriss entsteht, und verhindern, dass sich der Schaden weiter ausbreitet. Ist der Schaden zu groß, versiegeln sie zudem die Ränder der Schadenszone, wodurch ein Verlust der Haftung und ein nachfolgendes Delaminieren der Beschichtung verhindert wird.
Das Unternehmen behauptet eine sehr hohe Leistungsfähigkeit bei gleichzeitig sehr geringen VOC‑Emissionen (flüchtige organische Verbindungen), die in industriellen Umgebungen toxisch sein und Sicherheitsprobleme verursachen können.
Quelle: Autonomic Materials
