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Alexander Wittemann: Polymere Nanostrukturen als Träger für Biomoleküle

Eingeschlossen in einem Vesikel, dem körpereigenen Transportsystem für Proteine, können Wirkstoffe beispielsweise zu Tumoren transportiert werden. Natürliche Vesikel weisen jedoch nur eine geringe Lebenszeit auf, was zu einer verfrühten Wirkstofffreigabe führen kann. Dem Chemiker Alexander Wittemann ist es gelungen, künstliche biokompatible Polymervesikel mit einer wesentlich längeren Lebensdauer zu entwickeln. Diese eröffnen neue Möglichkeiten zur zeitverzögerten und langsamen Medikamentenabgabe im Körper oder auch bei der Anwendung kosmetischer Produkte auf der Haut. Wittemann untersucht zudem Bewegungen komplexer Teilchen an selbstgebildeten Clustern aus Polymerpartikel. Die Erkenntnisse des Chemikers sind unter anderem für die Proteinimmobilisierung und die Diffusionsbewegung von Biomolekülen von Bedeutung.

Prof. Dr. Alexander Wittemann forscht an der Universität Konstanz an Objekten im Nano- bis Mikrometerbereich © sp fotodesign

Der Transport von Proteinen erfolgt im Körper durch Vesikel, kleine Bläschen eingefasst in einer Membran. In der Medizin kann dieses natürliche Transportsystem genutzt werden, um Medikamente an ihren Bestimmungsort (z.B. Tumoren) zu transportieren. „Durch den Einschluss in die Vesikel ist die wertvolle Fracht zudem gegen enzymatischen Abbau geschützt“, erklärt Professor Alexander Wittemann, Chemiker an der Universität Konstanz. Doch die geringe Lebensdauer der üblicherweise verwendeten Liposome (Lipidvesikel) kann zur verfrühten Wirkstofffreisetzung führen. Hier schafft Wittemann Abhilfe und entwickelte ein Verfahren zur Erzeugung künstlicher Polymervesikel, die robuster sind und über eine wesentlich längere Lebensdauer als Liposome verfügen.

Eine Besonderheit der von Wittemann entwickelten Polymervesikel liegt in ihrer Bioabbaubarkeit. Dabei wird die Wand um die Vesikel durch Hydrolyse abgebaut, wodurch eingeschlossene Wirkstoffe freigesetzt werden. „Die Lebenszeit der Aggregate kann über die Wandstärke der Vesikel eingestellt werden, was Anwendungsperspektiven hinsichtlich einer kontrollierten, verlangsamten Wirkstofffreisetzung bietet“, sagt Wittemann. Anwendung finden Vesikel unter anderem in Kosmetikprodukten für die regulierte Aufnahme wasserlöslicher Wirkstoffe oder von Duftstoffen in die Haut. In der Biomedizin bietet sich neben dem Wirkstofftransport auch der Einsatz von Vesikeln zum Gentransfer an. „Denkbar ist zudem die Nutzung der Mikrokapseln als Mikroreaktoren im Sinne von Mikroreagenzgläsern, um Reaktionen innerhalb eines eng umrissenen Volumens auszuführen“, ergänzt der Konstanzer Forscher.

Polymervesikel bilden sich in Wasser

Das Polymervesikel verfügt über eine dickere Wand als herkömmliche Lipidvesikel, weshalb es sich gut als Transportmittel für Medikamente eignet. © Alexander Wittemann

Die Bildung der künstlichen Polymervesikel findet in einer Lösung von Wirkstoffen oder Biomolekülen statt, welche auf diese Weise von Beginn an in die Träger eingeschlossen werden. „Wir haben Block-Copolymere mit einem Mittelblock aus Polycaprolacton hergestellt, welche nach mehrstündigem Rühren in wässriger Lösung Vesikel ausbilden“, sagt Wittemann. Die Einbindung des Polycaprolacton, einem biologisch abbaubaren Kunststoff, ermöglicht den Verzicht auf Lösungsmittel bei der Vesikelproduktion, welches die Proteine zerstören würde. An den Vesikelwänden angelagert schützen die Proteine vor einer Agglomeration. „Diesen Effekt macht man sich beispielsweise in der Diagnostik zunutze, um eine unspezifische Zusammenlagerung von Partikeln zu unterdrücken“, sagt der Chemiker.

Polymercluster ermöglichen Prognosen zur Bewegung komplexer Teilchen oder Moleküle

In einem weiteren aktuellen Projekt untersucht Alexander Wittemann, wie die Gestalt von Teilchen oder von größeren Molekülen wie Proteinen deren Bewegung bestimmt. Hierzu erzeugt er aus kugelförmigen Polymerpartikeln Teilchencluster mit komplexer, aber klar definierter Gestalt. „Unsere Beobachtungen sind von fundamentaler Bedeutung für Ablagerungsprozesse, die Entstehung von Teilchenverbänden oder das Fließverhalten“, erklärt er. Die Polymerpartikel entstehen aus Teilchen von etwa 100 Nanometern Größe, die der Chemiker zu den verschiedensten Formen zusammensetzt. Von Bedeutung für seine eigene Forschung sind unter anderem Erkenntnisse vom Bewegungsverhalten mikroskopischer Vehikel zum Transport von Medikamenten oder allgemein zur Proteinimmobilisierung. Auch über die örtliche Verteilung von Proteinen, Ribosomen oder ganzen Zellen gibt das Modellsystem Aufschluss.

Mikroskopische Aufnahme, die die Zusammensetzung eines Partikelclusters aus kugelförmigen Polymerpartikeln zeigt. Ihre definierte Geometrie lässt Modellvorhersagen zu.
Prof. Alexander Wittemann setzt Partikelcluster aus kugelförmigen Polymerpartikeln zusammen. Ihre definierte Geometrie lässt Modellvorhersagen zu. © Alexander Wittemann

Die definierte Geometrie der geschaffenen Partikelcluster lässt Bewegungsvorhersagen anhand von hydrodynamischen Modellen zu. Die Vorhersagemodelle wurden zwar für Proteine entwickelt, die natürlich flexiblen Proteinstrukturen führen jedoch zu Abweichungen zwischen dem experimentell beobachteten Bewegungsverhalten und der Vorhersage. Besser geeignet sind die regelmäßigen, aber komplexen Formen der Polymerpartikel. „Zwischen unseren experimentellen Beobachtungen und theoretischen Vorhersagen ergab sich eine bemerkenswerte Übereinstimmung“, sagt der Konstanzer Forscher.

Zur Person:
Prof. Dr. Alexander Wittemann promovierte an der Universität Karlsruhe zum Thema Proteinimmobilisierung durch Adsorption auf Polyelektrolytbürsten. Sein Interesse gilt vor allem Polymeren, Nanoteilchen sowie Proteinen. Diese Forschungsgebiete begleiteten ihn nach einem Forschungsaufenthalt an der McGill University in Montreal auch an die Universität Bayreuth, wo er als wissenschaftlicher Assistent im Rahmen seiner Habilitation unter anderem die Sekundärstruktur von Proteinen in polymeren Nanostrukturen untersuchte. Seit Dezember 2011 ist er Professor für Kolloidchemie an der Universität Konstanz.

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/alexander-wittemann-polymere-nanostrukturen-als-traeger-fuer-biomolekuele