Click-to-Release-Chemie macht Ionenpumpen für große Medikamente nutzbar
Medikamente zur richtigen Zeit am richtigen Ort: Krebstherapie lokal statt systemisch
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Wie kann man ein Medikament zur richtigen Zeit genau dort freisetzen bzw. aktivieren, wo es im Körper gebraucht wird? Bei manchen Medikamenten, etwa in der Krebstherapie, sollte der Wirkstoff eigentlich nur an einer bestimmten Stelle aktiv sein, trotzdem verteilt es sich im ganzen Körper: Die Erkrankung ist lokal, aber die Therapie erfolgt systemisch – räumlich und zeitlich unkontrolliert.
von links: Hannes Mikula, Johannes Bintinger, Nikolaus Poremba, Andreas Löffler, Patrick Keppel, Sebastian Hecko, Marle E. J. Vleugels
© TU Wien / Barbara Sohr
An der TU Wien gelang nun ein wichtiger technischer Schritt: Forschende kombinierten elektronische Ionenpumpen mit der sogenannten Click-to-Release-Chemie. Ionenpumpen können auf Knopfdruck kleine geladene Wirkstoffe gezielt abgeben, sind bisher aber auf relativ kleine Moleküle beschränkt. Die neue Methode umgeht dieses Problem: Statt des Wirkstoffs werden kleine „chemische Scheren“ gepumpt, die am Zielort zuvor immobilisierte Wirkstoffe freisetzen. Dadurch lässt sich die präzise elektronische Steuerung der Ionenpumpen erstmals auch für ein deutlich breiteres Spektrum an Medikamenten nutzen. Mehrere Patente wurden bereits angemeldet, nun wurde die „Iontronic Click-to-Release“-Technik im Fachjournal „Nature Communications“ publiziert.
Ionenpumpen: Moleküle auf Knopfdruck
„Wenn man einen Wirkstoff einfach schluckt oder injiziert bekommt, dann verteilt er sich im ganzen Körper. Nur ein winziger Bruchteil, etwa ein Millionstel davon, wird dort wirksam, wo man sich die Wirkung erhofft - zum Beispiel in den Tumorzellen“, sagt Johannes Bintinger vom Institut für Angewandte Synthesechemie der TU Wien, der Leiter des Projekts.
An der Linköping Universität in Schweden wurden dafür Ionenpumpen entwickelt: kleine elektronische Geräte, die in Zukunft direkt in den Körper implantiert werden sollen, in denen eine ionenselektive Membran und angelegte elektrische Spannung dafür sorgen, dass geladene Moleküle gezielt und zeitlich präzise freigesetzt werden – in direkter Umgebung des Implantats. So lässt sich die Freisetzung von Stoffen auf Knopfdruck sehr genau steuern.
„Allerdings gibt es dabei ein entscheidendes Problem“, erklärt Sebastian Hecko (TU Wien), Erstautor der aktuellen Publikation. „Ionenpumpen sind leider nicht für jedes Molekül geeignet. Sie können nur elektrisch geladene Moleküle freisetzen, die eine bestimmte Maximalgröße nicht überschreiten.“
Für viele wichtige Medikamente, etwa für große Proteine, funktioniert diese Methode daher nicht: Sie sind viel zu sperrig, um durch die poröse Membran der Ionenpumpe freigesetzt zu werden. „An dieser Stelle kommt der zweite Teil unserer Forschungsarbeit ins Spiel“, sagt Johannes Bintinger: „die Click-to-Release Chemie.“
Click-to-Release: gezielte Aktivierung vor Ort
Die Click-to-Release-Chemie ist ein Konzept aus der bioorthogonalen Chemie. Darunter versteht man Reaktionen, die selektiv zwischen definierten Partnern ablaufen, ohne andere Moleküle im Körper zu beeinflussen.
Moleküle werden über gezielt spaltbare chemische Verknüpfungen an ein lokales Depot gebunden und bleiben zunächst immobilisiert. „Erst ein passendes Trigger-Molekül löst diese Bindung und setzt die Moleküle am gewünschten Ort frei. Genau dieses Prinzip nutzen wir in Kombination mit der Ionenpumpe: Statt den Wirkstoff selbst zu transportieren, wird ein kleines Trigger-Molekül gepumpt, das lokal fixierte Wirkstoff-Konjugate selektiv spaltet und so Zeitpunkt und Dosis der Freisetzung präzise steuerbar macht“, erklärt Hannes Mikula (TU Wien).
„Wir konnten nun zeigen, dass wir mit Ionenpumpen die Freisetzung solcher Trigger-Moleküle präzise elektronisch steuern können“, sagt Sebastian Hecko. „Damit können wir genau kontrollieren, wann und wie viel Wirkstoff am Zielort freigesetzt wird. Wir haben damit zwei komplementäre Technologien funktional zusammengeführt und ihre jeweiligen Vorteile kombiniert.“
Gezielte lokale Therapie statt systemischer Belastung
Nachdem die Medikamente auf diese Weise genau am gewünschten Ort wirksam werden, können deutlich geringere Mengen ausreichen – das verringert Nebenwirkungen erheblich. Besonders relevant ist das für Patient_innen mit lokal begrenzten Erkrankungen, die heute oft dennoch systemische Chemotherapien erhalten.
„Ein einziger Tropfen kann ein Vielfaches der Medikamentenmenge beinhalten, die man für eine mehrwöchige Krebstherapie braucht“, sagt Johannes Bintinger. „Gleichzeitig hat die elektronisch steuerbare Ionenpumpe den Vorteil, dass man optimale Kontrolle über die Freisetzung hat. Manche Medikamente wirken zum Beispiel dann am besten, wenn man sie zu einer ganz bestimmten Tageszeit freisetzt. Mit der Ionenpumpe ist das kein Problem, mit anderen Verabreichungsmethoden wie Pillen oder Infusionen wäre das praktisch unmöglich.“
Die Arbeit des Forschungsteams, bestehend aus TU Wien, Linköping Universität und Medizinischer Universität Graz, zeigt nun anhand von Experimenten mit lebenden Zellen, dass die neue Methode hochpräzise und zuverlässig eingesetzt werden kann. Nun sollen weitere Experimente folgen, um die Technik möglichst rasch anwendungstauglich zu machen. „Es gibt in der Medizin viele Anwendungsmöglichkeiten dafür“, sagt Johannes Bintinger. „Unser Ziel ist es, diese Technologie in konkrete therapeutische Anwendungen zu überführen.“
Originalveröffentlichung
Hecko, S., Vleugels, M. E., Bayer, C., Byun, D., Hörberg, M. E., Poremba, N., ... & Bintinger, J. (2026). Iontronic click-to-release enables electrically controlled delivery of drugs and biomolecules beyond charge and size limitations. Nature Communications.
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