Implantat-gerichtetes magnetisches Drug Targeting: Antibiotische Therapie peri-implantärer Infektionen

• Antragstellerinnen: Dr. Nina Ehlert, seit 5/2023; Dr. Jessica Meißner, seit 10/2020; Privatdozentin Dr. Janin Reifenrath
• Fachliche Zuordnung: Tiermedizin
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 280642759

Ziel des Projekts ist die gezielte, zeitunabhängige Anreicherung von Wirkstoffen an Implantatoberflächen durch magnetische Nanopartikel unter Nutzung eines externen Elektromagnetfeldes und eines magnetisierbaren Implantatmaterials. In den letzten Jahren hat die Forschung im Bereich der Nanopartikel, und hier insbesondere im Bereich des Drug Delivery, sehr an Bedeutung gewonnen. Zusätzlich entstand eine gewisse Skepsis, ob die verschiedenen biomolekularen Targeting-Mechanismen wirklich effektiv und am Ende auch auf den menschlichen Organismus übertragbar sind. Entsprechend wird derzeit die Frage „Does nanomedicine have a delivery problem?“ intensiv diskutiert. Das Besondere des beantragten Projekts ist, dass das Targeting der Nanopartikel nicht über eine biochemische Erkennung, sondern über eine physikalische Wechselwirkung erfolgt. Auf dem Weg zum geplanten Ziel gelang bereits eine partielle Akkumulation der Nanopartikel in vivo an einem Implantat, allerdings noch nicht im therapeutisch wirksamen Umfang. Die durchgeführten Untersuchungen erlauben aber nunmehr eine genaue Eingrenzung der noch zu bearbeitenden Bereiche und stellen weiterhin einen erfolgreichen Einsatz des ursprünglichen Konzepts in Aussicht.Die entwickelten magnetischen nanoporösen Silica-Nanopartikel (MNPSNPs) sollen dahingehend verändert werden, dass sie vom mononukleären Phagozytensystem (MPS) nicht abgefangen werden. Hier werden die bereits eingesetzte PEGylierung angepasst und auch mit dem Einsatz von Oberflächenproteinen wie z.B. CD47 neue Wege gegangen. Alle Veränderungen haben den Zweck, die Zirkulationszeit im Blut deutlich zu erhöhen. Desweiteren soll an der Verbesserung der magnetischen Eigenschaften gearbeitet werden. Hier wird zum einen ebenfalls an den MNPSNPs angesetzt, wobei der Erhalt ihrer superparamagnetischen Eigenschaften ein wichtiges Ziel ist. Zum anderen soll durch Änderungen am Design und der Materialauswahl der Implantate deren Wirkung auf die MNPSNPs erhöht werden. Hierfür werden durch einen Projektpartner Vorversuche zu magnetischen Eigenschaften durchgeführt und entsprechend modifizierte Implantate hergestellt. Der Transfer beider optimierter Komponenten ins Tiermodell erfolgt über den Zwischenschritt eines ex vivo Modells. Am isoliert perfundierten Schafbein soll über Mikrodialyseuntersuchungen die Freisetzung der gekoppelten Antibiotika gemessen, sowie die Akkumulation der MNPSNPs an den Implantaten beurteilt werden.Nach Auswahl der geeignetsten Nanopartikel und des besten Implantats werden beide Komponenten in einem Infektionsmodell an der Ratte auf ihre Wirksamkeit geprüft. Dafür werden die infizierten Plättchen orthotop zum späteren geplanten Einsatzort am Knochen fixiert und die fluoreszierenden und mit einem Antibiotikum beladenen MNPSNPs systemisch verabreicht. Die Auswertung erfolgt einerseits über die Fluoreszenz zur Bestimmung der Lokalisation sowie andererseits über die Antibiotikawirkung auf den Biofilm auf der Implantatoberfläche.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragsteller: Professor Dr. Peter Behrens, bis 5/2023 (†); Professor Dr. Manfred Kietzmann, bis 9/2020