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Forscher entwickeln Mikroschwimmer, der Magenschleimhaut durchdringt

Lokaler Schleimlöser für den Magen

Das im menschlichen Magen häufig vorkommende Bakterium Helicobacter pylori kann sich durch die zähe Schleimschicht des Magens bewegen. Zu diesem Zweck scheidet es Substanzen aus, die den pH-Wert ihrer Umgebung verändern und damit den gelartigen Schleim verflüssigen. Forscher des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart und der Technischen Universität München (TUM) haben jetzt dieses Prinzip nachgebaut. Der von ihnen entwickelte Mechanismus könnte vielleicht in Zukunft pharmazeutische Wirkstoffe direkt an die Magenwand und damit nahe an die Blutbahn transportieren.

Die Schleimschichten in Mund, Magen oder im Vaginaltrakt von Frauen stellen die erste Abwehrfront gegen Bakterien und Viren dar. Andererseits erschwert dieser zähe Schleim (Mucus) aber auch Medikamenten das Erreichen des Gewebes. Selbst Spermien können nur dann durch den zähen Mucus hindurchschwimmen, wenn dieser während des Eisprungs durch eine Erhöhung des pH-Wertes verflüssigt wird – ein Mechanismus, den der Körper der Frau genau dann in Gang setzt, wenn er gebraucht wird.

Prof. Oliver Lieleg erforscht mit seiner Arbeitsgruppe an der Technischen Universität München (TUM) unter anderem die Barrierenwirkung solcher Schleimschichten gegenüber Krankheitserregern oder medizinischen Wirkstoffen. Um etwa einen oral verabreichten Wirkstoff über die Magenschleimhaut effektiv in die Blutbahn aufzunehmen, muss auch hier eine Schleimschicht durchdrungen werden. Da in diesem Fall der Körper aber nicht mithilft, hat sich die Forschungsgruppe um Prof. Lieleg gemeinsam mit Prof. Peer Fischer und Debora Walker vom Max Planck Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart den Trick eines Krankheitserregers abgeschaut und im Labor nachgebaut.

Einem Bakterium abgeschaut

Das Bakterium Helicobacter pylori kann durch die chemische Umsetzung eines Stoffes, der ganz natürlich im Magen vorkommt, ebenfalls den pH-Wert in seiner Umgebung ansteigen lassen. Das Bakterium setzt dazu ein Enzym namens Urease frei. Dieses zerlegt den in der Magenflüssigkeit natürlich vorhandenen Harnstoff. Durch die Abbauprodukte wird der ansonsten sehr saure pH-Wert des Magens lokal erhöht. Weil das gelartige Netzwerk der Magenschleimhaut bei erhöhtem pH zunehmend zusammenbricht, verflüssigt das Bakterium auf diese Art vorübergehend die Schleimhaut in seiner direkten Umgebung und schwimmt durch sie hindurch.

Die Forscher statteten nun einen künstlichen Mikropropeller, den sie schon vorher entwickelt hatten, mit derselben schleimlösenden Fähigkeit aus, indem sie ihn mit einem ähnlichen Enzym beschichteten, wie es das Bakterium auch einsetzt. Den derart präparierten Schwimmer testeten sie dann in Laborexperimenten in Schleimschichten.

Effektiver Transport durch den Schleim

Die Forscher betonen, dass es damit erstmals gelungen sei, einen derartigen Mikroschwimmer auch durch ein zähes biologisches Medium zu manövrieren. Der jetzige Mikroschwimmer kann allerdings noch nicht direkt zum Wirkstofftransport eingesetzt werden. Die Forscher denken deshalb darüber nach, ihr Vehikel zusätzlich mit einer porösen Struktur auszustatten. „Damit könnten wir zusätzlich noch Pharmaka mit einschließen und den Mechanismus für medizinische Anwendungen nutzbar machen“ sagt Prof. Lieleg. Mit einem ähnlichen Prinzip könnten sich auch gezielt pharmazeutische Substanzen durch die Schleimhaut der Vagina und des Darms transportieren lassen.

Originalpublikation:
D. Walker, B. Käsdorf, Hyeon-Ho Jeong, O. Lieleg and P. Fischer, Enzymatically Active Biomimetic Micropropellers for the Penetration of Mucin Gels, Science Advances, Dezember 11, 2015.

Kontakt
Prof. Dr. Oliver Lieleg
Technische Universität München
Fakultät für Maschinenwesen und Zentralinstitut für Medizintechnik
Professur für Biomechanik
oliver.lieleg(at)tum.de
+49 (0)89-289-10952

Corporate Communications Center

Technische Universität München Dr. Vera Siegler
vera.siegler(at)tum.de

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