Das menschliche Gehirn ist das am stärksten geschützte Organ des Körpers – und das aus gutem Grund.
Um unser „Kontrollzentrum“ vor Krankheitserregern und Giftstoffen zu bewahren, sind Gehirn und Rückenmark gegenüber dem übrigen Körper in einer privilegierten Abgeschiedenheit untergebracht.
Dieser Elfenbeinturm stellt jedoch zugleich ein erhebliches Hindernis für die Medizin dar.
Blut-Hirn-Schranke als Hürde für Medikamente
Nahezu sämtliche Arzneimittel mit großen Molekülen sowie mehr als 98 Prozent der kleinmolekularen Wirkstoffe im menschlichen Blutkreislauf können nicht in das zentrale Nervensystem gelangen. Verantwortlich dafür ist ein „verschlossenes Tor“, das als Blut-Hirn-Schranke bezeichnet wird.
Forschende erklären nun, sie seien dem Ziel so nahe wie noch nie, wichtige Therapien an dieser Barriere vorbeizuschleusen.
Ein Team an der University of Pennsylvania hat im Labor ein einfaches Modell der Blut-Hirn-Schranke entwickelt. Damit können die Forschenden untersuchen, welche Wirkstofftransporter am besten geeignet sind.
Konkret befasst sich die Gruppe mit der Verabreichung fettlöslicher „Pakete“, den sogenannten Lipid-Nanopartikeln. Diese können die Blut-Hirn-Schranke überwinden und dabei Proteine, Antikörper oder sogar Boten-RNA transportieren.
Auch der mRNA-Impfstoff gegen COVID-19 gelangt mithilfe einer solchen Lipidverpackung in die Körperzellen.
mRNA-Therapien bergen großes Potenzial für die Behandlung neurologischer Erkrankungen: Theoretisch könnten sie fehlende Proteine ersetzen oder fehlerhafte Gene im Gehirn bearbeiten. Zunächst müssen sie jedoch dorthin gelangen.
„Unser Modell übertraf andere beim Überqueren der Blut-Hirn-Schranke und half uns, organspezifische Partikel zu identifizieren, die wir später in weiteren Modellen bestätigten“, erklärt der Bioingenieur Michael Mitchell.
„Es ist ein spannender Machbarkeitsnachweis, der zweifellos neue Ansätze zur Behandlung von Erkrankungen wie traumatischen Hirnverletzungen, Schlaganfällen und Alzheimer beeinflussen wird.“
Der Bedarf an solchen Therapien ist dringend. Abgesehen von Medikamenten gegen affektive Störungen, etwa Antidepressiva, gehen manche Schätzungen davon aus, dass lediglich ein Prozent aller verfügbaren Arzneimittel im zentralen Nervensystem wirksam ist.
Um die Blut-Hirn-Schranke zu umgehen, werden manche Medikamente direkt ins Gehirn injiziert. Dieses Verfahren ist jedoch äußerst invasiv. Zudem verteilt sich der Wirkstoff im Organ nicht leicht, wodurch sein therapeutischer Einsatzbereich begrenzt bleibt.
2015 nutzten Wissenschafterinnen und Wissenschafter erstmals Schallwellen, um Chemotherapeutika durch die Blut-Hirn-Schranke zu schleusen; daraus gingen laufende klinische Studien hervor. Die aktuelle Untersuchung verfolgt allerdings einen anderen Weg.
Lipid-Nanopartikel für mRNA im Gehirn
Seit Jahren erforschen Wissenschafterinnen und Wissenschafter Lipid-Nanopartikel und ihre Fähigkeit, Medikamente ins Gehirn zu transportieren. Frühere Modelle konnten allerdings nicht erfassen, wie viel mRNA tatsächlich das zentrale Nervensystem erreichte.
„Ich verbrachte Monate damit, die optimalen Bedingungen für dieses neue in-vitro-System zu bestimmen, darunter die passenden Bedingungen für das Zellwachstum und die einzusetzenden fluoreszierenden Reporter“, erläutert die Bioingenieurin Emily Han.
„Nachdem das System zuverlässig funktionierte, untersuchten wir unsere Bibliothek an Lipid-Nanopartikeln und testeten sie an Tiermodellen.“
Von den 14 Lipid-Nanopartikeln, die das Team in Laborschalen prüfte, wurden fünf für eine weiterführende Analyse an lebenden Mäusen ausgewählt.
Diese mit fluoreszierenden Markern versehenen Wirkstoff-„Pakete“ zeigten einen hohen Transport über die Blut-Hirn-Schranke hinweg.
Nach einer Injektion in die Blutbahn von Mäusen erzeugte ein Teil des Medikaments in Gehirnzellen ein biolumineszentes Signal, das die Forschenden bereits sechs Stunden später ablesen konnten.
Dennoch gelangten zwar einige Lipid-Nanopartikel durch die Blut-Hirn-Schranke, aber nicht der gesamte Wirkstoff drang tatsächlich in die Gehirnzellen ein.
Das deutet darauf hin, dass Forschende bei der Wahl der Wirkstoffträger für künftige Untersuchungen sorgfältig auswählen müssen.
Die Autorinnen und Autoren hoffen, dass ihr neues in-vitro-Modell Wissenschafterinnen und Wissenschaftern dabei helfen wird, die vielversprechendsten Kandidaten zu bestimmen und damit die zukünftige Entwicklung gezielt auf das Gehirn ausgerichteter Therapien voranzutreiben.
„Darüber hinaus“, ergänzt das Team der University of Pennsylvania, „könnte die Plattform für die Untersuchung der Verabreichung von Lipid-Nanopartikeln an und durch andere biologische Barrieren umgebaut werden, etwa durch die Blut-Plazenta-Schranke zur Erforschung schwangerschaftsbezogener Erkrankungen und durch die Blut-Netzhaut-Schranke zur Untersuchung von Netzhauterkrankungen.“
Die Studie wurde in Nano Letters veröffentlicht.
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