Untersuchungen zu 3g-Nanotechnologien als Basis für ein gezieltes Drug-Delivery-System am Modell des Meerschweinchen-Innenohres

Ziel dieser Studie ist es, multifunktionale Nanopartikel als nonvirale Vektoren ins Innenohr zu entwickeln, die biodegradierbar und in vivo nachweisbar sind, mit einer Vielzahl therapeutischer Wirkstoffe beladen werden können und diese präzise zu ausgewählten Zellpopulationen in der Cochlea transportieren und zeitlich kontrolliert freisetzen. Einen ersten Schritt zur Entwicklung eines solchen Drug-Delivery-Systems stellt die Untersuchung der Grundstruktur von Hyperverzweigten Polylysinen (HP) und Lipidnanokapseln (LNK) auf Biokompatibilität, Verfolgbarkeit im Gewebe und Infiltrationsvermögen dar.   Dazu wurden diese Nanopartikeltypen in einer ersten In-vitro-Studie mit L929-Mausfibroblasten kultiviert und anschließend mittels Konfokaler Lasermikroskopie in den Zellen visualisiert. Quantitativ konnte die Nanopartikelaufnahme in die Zellen über Fluoreszenzmessungen ermittelt werden, während ein Vitalitätstest mit Neutralrot Aufschluss über zytotoxische Eigenschaften der Partikel gab. Sowohl Hyperverzweigte Polylysine als auch Lipidnanokapseln penetrierten dabei alle Zellen der Kultur, wobei sie in Kernnähe im Zytoplasma akkumulierten, ohne den Nucleus zu infiltrieren. Verdünnungen der Stammlösung von 1:10 bis 1:100 führten dabei zu einer Reduktion der Zellvitalität, die erst ab einer 1:300-Verdünnung keinen signifikanten Unterschied zur nanopartikelfreien Kontrollgruppe mehr aufwies.   Basierend auf diesen In-vitro-Daten wurde anschließend die in vivo zu applizierende Nanopartikelmenge so gewählt, dass keine toxischen Effekte im Innenohr zu erwarten waren. Per Cochleostomie erhielten 18 Meerschweinchen Hyperverzweigte Polylysine und dieselbe Tierzahl Lipidnanokapseln in die linke Scala tympani appliziert, während die jeweilige Gegenseite derselben Tiere zur Kontrolle mit PBS behandelt wurde. Über elektrophysiologische AABR-Messungen wurden die funktionellen Auswirkungen der Nanopartikelinjektion auf die Hörschwellen der Tiere dokumentiert. Mit Hilfe der Konfokalmikroskopie wurden die Verfolgbarkeit und das Infiltrationsvermögen im Innenohrgewebe untersucht, während die Aufstellung von Zytocochleogrammen der histologischen Darstellung möglicher toxischer Effekte auf die Haarzellen diente. Beide Nanopartikel konnten in allen Zelltypen des Innenohres von basal bis apikal nachgewiesen werden, wobei sie die Zellmembran, nicht aber die Kernmembran penetriert hatten. Die Auswertung der AABR-Daten ergab zwar einen signifikanten Anstieg der Hörschwellen nach zwei Tagen bei den hohen Frequenzen für beide Vektorentypen, allerdings konnte kein Unterschied zur PBS-behandelten Kontrollseite nachgewiesen werden. Nach 14 bzw. 28 Tagen sank dieser Hörschwellenanstieg wieder auf nicht signifikant erhöhte Werte bezogen auf Tag 0. Die Analyse der Zytocochleogramme ergab keinen Haarzellverlust, so dass der reversible Hörschwellenanstieg vermutlich auf die Operationsmethode und nicht auf toxische Eigenschaften der Hyperverzweigten Polylysine oder Lipidnanokapseln zurückzuführen war.   Die Verteilung der Nanopartikel in der gesamten Cochlea, ihre Fähigkeit, alle Zelltypen zu penetrieren, ohne zu morphologischen oder funktionellen toxischen Erscheinungen zu führen und ihre Verfolgbarkeit im Gewebe über Fluoreszenzmarkierung sind wesentliche Grundanforderungen, die an ein neuartiges Drug-Delivery-System gestellt werden und von Hyperverzweigten Polylysinen und Lipidnanokapseln gleichermaßen erfüllt werden.   Weitere Studien zum Aufnahmemechanismus der Nanopartikel in die Zellen und möglichen Oberflächenmodifikationen der Grundstruktur werden folgen, um die bislang unspezifische Verteilung in einen zielsicheren selektiven Wirkstofftransport zu spezifischen Zelltypen zu wandeln. Erst dann kann eine Wahl geeigneter Substanzen (z. B. Gene oder neurotrophe Faktoren) erfolgen, um auch einen biologischen Effekt am Wirkort zu erzielen. Studien zur Pharmakokinetik und Pharmakodynamik werden sich anschließen, so dass ein anwendungssicheres Drug-Delivery-System entwickelt werden kann, bei dem nonvirale Vektoren in Form von Nanopartikeln als innovative therapeutische Strategie für Innenohrkrankheiten genutzt werden.