Untersuchungen zur Entwicklung und Charakterisierung sonosensitiver organischer Nanopartikel für die ultraschallgesteuerte, lokale Freigabe pharmazeutischer Wirkstoffe

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Dagmar Fischer; Professor Dr. Stefan J. Rupitsch
• Fachliche Zuordnung: Biomedizinische Systemtechnik ; Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 399327646

Nanopartikel als Träger pharmazeutischer Wirkstoffe, die sich gezielt zu bestimmten Zeiten und in bestimmten Zielgebieten im Sinne der sogenannten „Drug Delivery“ freisetzen lassen, sind für die Medizin von großem Interesse. Ein wichtiges Anwendungsgebiet stellt die lokalisierte Chemotherapie bei Tumorerkrankungen dar, die verhindert, dass der gesamte Körper dem Therapeutikum ausgesetzt wird, womit die sonst schädlichen Nebenwirkungen reduziert werden können. Wegen der geringen Größe der einzelnen Nanopartikel haben diese gegenüber größeren Wirkstoffträgern in Form von Mikropartikeln den Vorteil, dass der EPR-Effekt (enhanced permeability and retention) nutzbar machen. Dieser gestattet ein stärkeres Eindringen des Wirkstoffes in und eine stärkere Einwirkung auf Tumorgewebe. Unser Projekt konzentriert sich auf „sonosensitive“ Nanostrukturen, bei denen die Wirkstoffe durch die Einwirkung von Ultraschall freigesetzt werden können. Um eine Begrenzung dieses Effektes auf bestimmte Tumorregionen zu erreichen, sind fokussierbare Ultraschallfelder erforderlich. Bisher war der gewünschte Effekt an sonosensitiven Nanopartikeln geeigneter Größe nur bei niedrigen Ultraschallfrequenzen nachweisbar, die keine ausreichende Fokussierung gestatten. Den Antragstellern gelang aber in jüngster Zeit die Realisierung neuer sonosensitiver Nanopartikel (in Form von Kugeln/Sphären und Kapseln), bei denen der Effekt auch bei höheren Ultraschallfrequenzen mit gut fokussierbaren Wellenfeldern auftritt. Bei den neuen Nanopartikeln handelt es sich um rehydratisierte, gefriergetrocknete Polymilchsäure-Nanosphäre in einer Wasserdispersion mit einem Durchmesser von 120 nm, an denen durch Beschallung bei 835 kHz ein Breitbandrauschen generiert wird, das auf transiente, wirkstofffreisetzende Kavitation zurückzuführen ist.Im geplanten Projekt soll die Nanopartikelherstellung im Hinblick auf eine effiziente Wirkstoff-Freisetzung optimiert werden. Der Mechanismus der ultraschall-induzierten Kavitation solcher Nanostrukturen wird aufgeklärt. Für die morphologische Charakterisierung der Partikel werden mikroskopische Verfahren (z. B. Rasterkraftmikroskopie) zum Einsatz kommen. Zur funktionellen Charakterisierung der Wirksamkeit der Partikel soll ein Aktor-Sensor-System realisiert werden, das auf der Aktorseite über eine Einheit zur Erzeugung von fokussiertem Leistungsultraschall verfügt, welche durch Variation relevanter Ultraschallkenngrößen eine Optimierung des Kavitationsgeschehens gestattet. Auf der Sensorseite sollen verschiedene Ultraschallverfahren zur passiven sowie aktiven Detektion der Kavitation realisiert und erprobt werden. Die Sensormodalitäten sollen in geeigneter Kombination für die Optimierung der Nanopartikelherstellung sowie der Betriebsart zur effizienten, kavitationsbasierten Wirkstofffreisetzung eingesetzt werden. Auf der Basis der im Projekt gewonnenen Erkenntnisse sollen Konzept-Vorschläge und Systementwürfe für die Anwendung in der Medizin erarbeitet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Helmut Ermert