Gehirn­tumor: Neben­wir­kungen bei Behandlung verringern

Forschungsteam der CAU entwi­ckelt wenige Milli­meter große Silikon­struktur zur kontrol­lierten Wirkstoff­frei­setzung. Größe und Aufbau können indivi­duell bestimmt werden, je nach Art des Tumors. Foto: Florian Rasch

Gehirn­tumor: Neben­wir­kungen bei Behandlung verringern

Glioblastome gehören zu den aggres­sivsten Gehirn­tu­moren bei Erwach­senen. Durch ihr schnelles Wachstum und ihre Verschie­den­ar­tigkeit sind Glioblastome schwer zu behandeln. Operativ lassen sich die bösar­tigen Tumore in der Regel nicht vollständig oder dauerhaft entfernen. Im Anschluss folgt daher eine kombi­nierte Strahlen- und Chemo­the­rapie, die aller­dings mit Neben­wir­kungen auf den gesamten mensch­lichen Körper verbunden sein kann. Als mögliche Alter­native werden daher sogenannte lokale Thera­pie­an­sätze erforscht. Diese wirken nicht syste­misch, sondern setzen medizi­nische Wirkstoffe in geringer Konzen­tration gezielt dort frei, wo sie tatsächlich benötigt werden. Dies kann dabei helfen, den gesamten Körper zu entlasten und Neben­wir­kungen zu reduzieren.

An solch schonen­deren Therapien forschen Wissen­schaft­le­rinnen und Wissen­schaftler aus der Materi­al­wis­sen­schaft und der Medizin der Christian-Albrechts-Univer­sität zu Kiel (CAU) und dem Univer­si­täts­kli­nikum Schleswig-Holstein (UKSH), Campus Kiel. Im Gradu­ier­ten­kolleg 2154 »Materials for Brain« entwi­ckeln sie gemeinsam neue Materialien für lokale Behand­lungs­stra­tegien bei chroni­schen Gehirn­er­kran­kungen wie Epilepsie, Aneurysmen oder Tumore. Zur Behandlung von Glioblas­tomen stellten sie kürzlich einen Ansatz für eine besondere Silikon­struktur vor. Mit ihr könnten medizi­nische Wirkstoffe über einen langen Zeitraum kontrol­liert an das Gehirn abgegeben und Tumore so schonender behandelt werden. Ihre Studie erschien im Journal ACS Bioma­te­rials Science & Engineering und zusätzlich als Titelbild der Ausgabe.

Silikon­struktur gibt Wirkstoff über mehrere Tage ans Gehirn ab

»Bisherige lokale Ansätze können große Mengen an Wirkstoff in kurzer Zeit freisetzen. Wir wollen Medika­mente aber über eine längere Zeit konti­nu­ierlich abgeben, um das Tumor­wachstum länger zu hemmen«, erklärt Materi­al­wis­sen­schaftler Florian Rasch, einer der Erstau­toren der Kieler Studie. In engem Austausch zwischen Materi­al­wis­sen­schaft und Medizin entwi­ckelte das Forschungsteam eine spezielle, wenige Milli­meter große Materi­al­struktur aus biokom­pa­tiblem Silikon, die medizi­nische Wirkstoffe abgeben kann. In das Material ätzten sie feine Tunnel mit einem Durch­messer von etwa zwei Mikro­metern, was einem Zehntel eines mensch­lichen Haares entspricht. »Diese Tunnel bilden ein dicht verzweigtes Netzwerk, das wir mit unter­schied­lichen Wirkstoffen befüllen können«, erläutert der Doktorand aus der Arbeits­gruppe »Funktionale Nanomaterialien«.

Im Anschluss an die operative Entfernung eines Glioblastoms wird das Material direkt im Gewebe des Gehirns platziert, so das Ziel des Forschungs­teams. Dort soll der Wirkstoff langsam aus dem Tunnel-Netzwerk entweichen und vor Ort seine thera­peu­tische Wirkung entfalten. »Je geringer die Anzahl der Tunnel­öff­nungen im Material und damit der Zugänge nach draußen, desto länger dauert es, bis der komplette Wirkstoff an das Gehirn abgegeben ist«, erklärt Christina Schmitt. Sie hat als Dokto­randin am Anato­mi­schen Institut Kiel an der Studie mitge­wirkt und ihre Promotion im Bereich Life Sciences mittler­weile abgeschlossen.

Eine der Tunnel­röhren im Silikon­ma­terial in 12.000-facher Vergrö­ßerung unter dem Raster­elek­tro­nen­mi­kroskop. Abbildung: Florian Rasch
Material lässt sich indivi­duell an unter­schied­liche Tumore und Therapien anpassen

In der Studie arbeitete das Team mit dem Wirkstoff AT101, der aus Baumwoll­pflanzen gewonnen wird und aufgrund seines tumor­hem­menden Poten­tials für die Behandlung von Glioblas­tomen inter­essant ist. »Wir konnten zeigen, dass sich der Wirkstoff auf diese Weise über bis zu zehn Tage lang abgeben lässt. Prinzi­piell sind sogar mehrere Wochen bis Monate denkbar«, sagt Vivian Adamski, mittler­weile promo­vierte Bioche­mi­kerin. Als Dokto­randin an der Klinik für Neuro­chir­urgie Kiel unter­suchte Adamski für die Studie die Wirksamkeit des so freige­setzten Wirkstoffs in Krebs­zellen, Schmitt unter­suchte die Auswir­kungen auf gesunde Zellkul­turen. Die Unter­su­chung erfolgte im Rahmen eines kombi­na­to­ri­schen Thera­pie­an­satzes bestehend aus dem Glioblastom-Standard­the­ra­peu­tikum Temozo­lomid und dem aus dem Tunnel­system freige­setzten Wirkstoff AT101. »Wir stellten deutliche wachs­tums­hem­mende und abtötende Effekte auf die Glioblastom-Zellen fest, während die gesunden Zellen weitest­gehend unberührt blieben. Diese Ergeb­nisse sind vielver­spre­chend für die weiteren Unter­su­chungen«, so Adamski weiter.

Die Wirkstoff­abgabe können die Forschenden indivi­duell an den jewei­ligen Tumor und die benötigte Therapie anpassen, indem sie die Anzahl der Tunnel im Silikon­ma­terial variieren. Andere Ansätze mit ähnlichen Hohlröhren konnten bisher nur mit weitaus aufwen­di­geren Herstel­lungs­ver­fahren in spezi­ellen Reinraum­um­ge­bungen reali­siert werden. Die techni­schen Anfor­de­rungen dort ließen jedoch kaum indivi­duelle Anpas­sungen zu.

Inter­dis­zi­plinäre Forschung an medizi­nisch komplexen Herausforderungen

Mit dieser zunächst rein mecha­ni­schen Modell­studie wollen die Kieler Forschenden die Wirkstoff­abgabe möglichst realis­tisch simulieren, bevor sie ihre Silikon­struktur nun für die konkrete medizi­nische Anwendung weiter­ent­wi­ckeln und in Modell­orga­nismen unter­suchen. Langfristig hoffen sie, die Freisetzung von Medika­menten noch stärker beein­flussen zu können, zum Beispiel indem sie sie nach Bedarf von außen aktivieren oder deaktivieren.

»Die Erfor­schung solch komplexer medizi­ni­scher Heraus­for­de­rungen lässt sich in Zukunft nur in enger fachüber­grei­fender Zusam­men­arbeit voran­treiben. Das Gradu­ier­ten­kolleg 2154 bietet dafür ideale Bedin­gungen und wir freuen uns, diese inter­dis­zi­pli­nären Kompe­tenzen an hochka­rätige Nachwuchs­for­schende aus dem In- und Ausland zu vermitteln«, sagt Professor Rainer Adelung, Leiter der Arbeits­gruppe »Funktionale Nanoma­te­rialien« und Sprecher des Graduiertenkollegs.

Origi­nal­pu­bli­kation:

Macro­scopic Silicone Micro­channel Matrix for Tailored Drug Release and Localized Glioblastoma Therapy. Florian Rasch, Christina Schmitt, Lena M. Saure, Rieke Meyer, Vivian Adamski, Duygu Dengiz, Regina Scherließ, Ralph Lucius, Michael Synowitz, Yogendra K. Mishra, Kirsten Hattermann, Rainer Adelung, Janka Held-Feindt, and Fabian Schütt. ACS Bioma­te­rials Science & Engineering 2020 6 (6), 3388–3397. DOI: 10.1021/acsbiomaterials.0c00094 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsbiomaterials.0c00094

Textquelle: Dr. Boris Pawlowski, Christian-Albrechts-Univer­sität zu Kiel

Bildquelle: (oben) Forschungsteam der CAU entwi­ckelt wenige Milli­meter große Silikon­struktur zur kontrol­lierten Wirkstoff­frei­setzung. Größe und Aufbau können indivi­duell bestimmt werden, je nach Art des Tumors. Foto: Florian Rasch

Bildquelle: (unten) Eine der Tunnel­röhren im Silikon­ma­terial in 12.000-facher Vergrö­ßerung unter dem Raster­elek­tro­nen­mi­kroskop. Abbildung: Florian Rasch