Kann Nanotechnologie das Fortschreiten der Arthrose verlangsamen?
Es gibt immer noch keine Heilung für Arthrose. Ein innovativer nanotechnologischer Ansatz kann jedoch dazu beitragen, Therapeutika tiefer in den betroffenen Knorpel zu befördern und länger aktiv zu bleiben.
Arthrose ist vorwiegend eine Erkrankung älterer Erwachsener und eine schwächende Erkrankung.
Arthrose betrifft den Knorpel in den Gelenken des Körpers und betrifft schätzungsweise 26 Millionen Menschen in den USA.
Manchmal beginnt der Zustand mit einer Verletzung oder einer krankheitsbedingten Schädigung des Gelenks.
Zu anderen Zeiten ist dies auf den Verschleiß zurückzuführen, der durch jahrelangen Gebrauch verursacht wird.
In allen Fällen gibt es derzeit keine Möglichkeit, das Fortschreiten aufzuhalten. Derzeit stehen nur Medikamente zur Linderung der damit verbundenen Schmerzen zur Verfügung.
Je älter und schwerer die Bevölkerung wird - beides Risikofaktoren für Arthrose -, desto größer wird das Problem.
Da Schmerzen das vorherrschende Symptom sind, trägt Arthrose außerdem zur Opioidabhängigkeitskrise bei. Es ist dringender denn je, innovative Wege zu finden, um in den weiteren Marsch dieser Krankheit einzugreifen.
Das Problem der Arzneimittelabgabe
Kürzlich haben sich Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge engagiert. Sie untersuchten Möglichkeiten, mithilfe der Nanotechnologie experimentelle Medikamente gegen Arthrose zu verbessern.
Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Translationale Medizin früher diese Woche.
Im Laufe der Jahre haben Wissenschaftler eine breite Palette von Chemikalien gegen Arthrose eingesetzt. Einige haben sich in Tiermodellen als vielversprechend erwiesen, aber bisher hat sich keines bei menschlichen Patienten als nützlich erwiesen.
Die Autoren der neuen Studie glauben, dass "[m] alle diese Mängel auf einer unzureichenden Arzneimittelabgabe beruhen".
Dies hat zwei Hauptgründe. Erstens haben die Gelenke einen Mangel an Blutversorgung, was bedeutet, dass Spezialisten Medikamente direkt in die Gelenke selbst injizieren müssen. Zweitens neigt die Lymphdrainage dazu, in Gelenke injizierte Verbindungen schnell zu entfernen.
Um diese Hürde zu überwinden, konzentrierten sich die Wissenschaftler darauf, einen Weg zu finden, um Medikamente länger im Gelenk abzugeben und zu halten, während sie gleichzeitig tiefer in den Knorpel eintauchen und Medikamente direkt zu den Zellen bringen, wo sie benötigt werden.
Das Medikament, auf das sie sich konzentrierten, war Insulin-ähnlicher Wachstumsfaktor 1 (IGF-1), eine Verbindung, die sich in einigen klinischen Studien als vielversprechend erwiesen hat. Dieser Wachstumsfaktor fördert das Wachstum und das Überleben von Chondrozyten, den Zellen, aus denen gesunder Knorpel besteht.
Winzige Kugeln
Die Forscher entwarfen ein nanoskaliges kugelförmiges Molekül als Träger für IGF-1. Das Molekül besteht aus vielen Zweigen, sogenannten Dendrimeren, die von einem zentralen Kern ausgehen.
Jeder Zweig endet mit einem positiv geladenen Bereich, der von der negativen Ladung auf der Oberfläche von Chondrozyten angezogen wird.
Zu den Molekülen gehört auch ein schwingender Polymerarm, der die positiven Ladungen bedeckt und intermittierend neutralisiert. Die Forscher befestigten IGF-1-Moleküle an der Oberfläche dieser Kugel und injizierten die Verbindung in die Gelenke von Ratten.
Sobald diese Partikel im Körper sind, binden sie sich an den Knorpel und die Lymphdrainage kann sie nicht entfernen. Von dort können sie beginnen, in das Gewebe zu diffundieren.
Die Kugeln verbinden sich jedoch nicht dauerhaft, da dies sie an der Oberfläche des Knorpels festhalten würde. Der flexible Polymerarm bedeckt gelegentlich die Ladungen, so dass sich das Molekül bewegen und tiefer in das Gewebe eintauchen kann.
"Wir haben einen optimalen Ladungsbereich gefunden, damit das Material das Gewebe sowohl binden als auch für die weitere Diffusion lösen kann und nicht so stark ist, dass es nur an der Oberfläche hängen bleibt."
Leitender Studienautor Brett Geiger, ein MIT-Doktorand
Wenn IGF-1 in die Chondrozyten eingeführt wird, induziert es die Freisetzung von Proteoglykanen oder des Rohstoffs des Knorpels. IGF-1 fördert auch das Zellwachstum und verringert die Rate des Zelltods.
Das therapeutische Fenster erweitern
Die Forscher injizierten dieses Hybridmolekül in die Gelenke von Ratten. Es hatte eine Halbwertszeit von 4 Tagen (die Zeit, die das Medikament benötigt, um sich auf die Hälfte seines ursprünglichen Volumens zu reduzieren), was etwa zehnmal länger ist als bei alleiniger Injektion von IGF-1 durch Wissenschaftler. Wichtig ist, dass seine therapeutische Wirkung 30 Tage anhielt.
Im Vergleich zu Ratten, die das Medikament nicht erhielten, zeigten diejenigen, die eine verringerte Gelenkschädigung sahen. Es gab auch eine signifikante Verringerung der Entzündung.
Natürlich ist Rattenknorpel viel dünner als der Mensch; Ihre Dicke beträgt etwa 100 Mikrometer, während die eines Menschen näher an 1 Millimeter liegt.
In einem separaten Experiment haben die Wissenschaftler bewiesen, dass diese Moleküle bis zu einer Dicke eindringen können, die für einen menschlichen Patienten relevant ist.
Dies ist nur die erste Phase der Forschung, in der die Verwendung dieser Moleküle zur Abgabe von Arzneimitteln an den Knorpel untersucht wird. Das Team plant, in die gleiche Richtung zu gehen und andere Chemikalien zu untersuchen, einschließlich Medikamente, die entzündliche Zytokine und Nukleinsäuren, einschließlich DNA und RNA, blockieren.
Die Studie erscheint neben einem Leitartikel zum Einsatz von Nanotechnologie in der Arthroseforschung. Der Autor Christopher H. Evans schreibt:
„Dies sind sehr ermutigende Daten. […] [T] hier gibt es kein anderes Arzneimittelabgabesystem, das den Metabolismus von Chondrozyten in situ über die gesamte Dicke des Gelenkknorpels nachhaltig beeinflussen kann. “
Obwohl die neue Methode noch in den Kinderschuhen steckt, könnte dieser Ansatz letztendlich dazu führen, dass Ärzte den Verlauf der Arthrose durch zweiwöchentliche oder monatliche Injektionen erheblich verlangsamen könnten.
