Injizierbare, adaptive Hydrogele der nächsten Generation (InGel-NxG)

Die für das Projekt festgelegten Halbzeitmeilensteine wurden erreicht. Es konnte ein adsorptiver Einbau von Wirkstoffpartikeln in Hydrogele bewerkstelligt werden. Die ins Hydrogel eingebrachten Wirkstoffpartikel waren gleichmäßig verteilt und die Freisetzung des Wirkstoffes aus dem Gel konnte nachgewiesen werden.

Im Projekt wurden neue Hydrogel-Varianten hergestellt, sowohl durch Variation der bisher verwendeten Komponenten als auch durch Verwendung neuer Vernetzer, wie z. B. bürstenförmiger Moleküle, selbstassemblierender Peptide oder modifizierter Makromoleküle wie Hyaluronsäure oder Chondroitinsulfat. Durch diese Veränderungen konnte die Freisetzung von (Test)substanzen zwar etwas verlangsamt werden, allerdings noch nicht in dem Maße wie erhofft. Hier hatte die Verkapselung der Wirkstoffe einen deutlich größeren Einfluss. Beim Verkapseln werden kleine Partikel des Wirkstoffs mit einer Hülle umgeben und anschließend in die Hydrogelformulierung eingebracht. In Abhängigkeit von der Beschaffenheit der Hülle kann die Freisetzung beeinflusst werden. Es wurden verschiedenen Technologien zur Verkapselung des Modellwirkstoffs Ibuprofen eingesetzt und die Hüllen teilweise zur weiteren Stabilisierung vernetzt. Letztlich konnte eine sehr langsame Freisetzung des Ibuprofens erreicht werden. Etwa 20% des eingesetzten Ibuprofens wurde innerhalb von 7 Tagen freigesetzt, was für eine spätere Anwendung gut geeignet zu sein scheint. Um das freigesetzte Ibuprofen zuverlässig quantifizieren zu können, wurde eine HPLC-Methode etabliert und validiert. Des Weiteren wurde eine Methode zur Quantifizierung von Hyaluronsäure mittels Größenausschluss-Chromatographie entwickelt. Hyaluronsäure erfüllt physiologisch im Körper als Bestandteil der sogenannten extrazellulären Matrix eine wichtige Funktion und kann als Komponente der Hydrogelformulierung die Materialeigenschaften beeinflussen. Die Materialeigenschaften der vorliegenden Gele wurden mittels Rheologie charakterisiert. Eine aktive Freisetzung von Wirkstoffen im Gelenk je nach Bedarf kann auch über spaltbare Vernetzer erzielt werden, die bei der Hydrogel-Herstellung verwendet werden. Diese können bei Entzündung durch im Gelenk vorkommendende Enzyme gespalten werden und damit der Wirkstoff aus dem Hydrogel ins Gelenk abgegeben werden. Die Arbeiten hierzu sind noch nicht abgeschlossen.

Es wurden vielversprechende Wirkstoffkandidaten ausgewählt und deren Wirkung zunächst in unserem Vollblutmodell untersucht. Zwei der ausgewählten Substanzen, die beide die Bildung eines wichtigen Entzündungsmoleküls, des Interleukin-1β, hemmen sollen, zeigten darin ein vorteilhaftes Wirkprofil. Weitergehende Untersuchungen zu deren Wirkung auf typische Gelenkszellen, wie Knorpelzellen oder Zellen aus dem Synovialgewebe waren leider nicht erfolgreich. Beide Substanzen zeigten keine Wirkung oder wirkten sich gar negativ auf die Funktion der Gelenkszellen aus. Sie sind daher für eine Therapie nicht geeignet. Daher wird im Projekt nun mit der Modellsubstanz Ibuprofen weitergearbeitet. Als Alternative zu einem einzelnen Wirkstoff können humane mesenchymale Stromazellen (MSC) aus der Plazenta dienen. Diese Zellen können eine Vielzahl von Botenstoffen (= potenzielle Wirkstoffe) produzieren, die Entzündungsprozesse beeinflussen können. Arbeiten zur Verwendung von MSC sind noch im Gange.  Zur detaillierten biologischen Beurteilung der Hydrogele und/oder Wirkstoffe wurden neue Kulturmodelle entwickelt. Hier ist insbesondere das Co-Kulturmodell von Synovialzellen mit Vollblut zu erwähnen, welches schon erfolgreich eingesetzt werden konnte. Ein weiteres Modell mit Makrophagen, die zusätzlich in die Co-Kultur eingebracht werden, ist noch in Arbeit.

Insgesamt wurden die Projektarbeiten durch die Corona-Pandemie beeinträchtigt, nichtsdestotrotz konnten in den Teilvorhaben die Halbzeitmeilensteine weitestgehend erreicht werden.