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Professor Dr. Brigitte von Rechenberg vom CABMM und ihre Forscherkollegen erläutern ihre Untersuchungen zur transkutanen Medikamentenverabreichung mit einer neuartigen transdermalen Applikationstechnik Transkutane Medikamentenverabreichung.

Wir haben die Bilder, die Übersetzung und den Volltext im englischen Original eines ausführlichen Studienberichts von Prof. Brigitte von Rechenberg Prof. Dr. med. vet., Dipl. ECVS hier veröffentlicht.  Wir bitten nochmals um Verständnis, dass die Übersetzung aus dem Englischen von Google vorgenommen wurde und daher einige Ungereimtheiten in der Sprache vorhanden sein können.

The CABMM’s Professor Dr Brigitte von Rechenberg and her fellow researchers outline their studies into transcutaneous drug delivery using a novel transdermal application  technology

 

Fig 1 Meddrop Device

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Fig 2 Valeoskin Gerüst

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Abb. 3 Wundheilung bei Katzen nach 24 Tagen nach experimentellen Hautläsionen: Der Wundverschluss mit Hydrogel (Abb. 3a) ist signifikant langsamer im Vergleich zu denen mit Valeoskin® behandelten Wunden (Abb. 3b)

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Abb. 4 TDA-Applikation am lebenden Schaf auf der medialen Seite des Kniegelenks

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Abb. 5 Histologiebild der Knorpelläsion drei Monate nach der Operation und sechs Wochen nach der letzten TDA-Applikation mit entweder Vehikel allein (Abb. 5a) oder Vehikel + Carprofen als Mischung (Abb. 5b): Beachten Sie den angrenzenden Knorpel (Blockpfeil), der bei der Anwendung von Vehikel allein im Vergleich zur Mischung von Vehikel + Carprofen einen erheblichen Verlust an Matrixfärbung zeigt + Carprofen

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Abb. 6 Histologiebild des hyalinen Knorpels nach Anlegen eines subchondralen metaphysären Defekts in der proximalen Tibia: Beachten Sie, dass der Spalt im Knorpel, der ein übliches Zeichen für Knorpeldegeneration ist, noch verschlossen ist. Darüber hinaus ist kein Verlust der zellulären Lebensfähigkeit oder Verlust der metachromatischen Färbung der Matrix in der Nähe der Spalt nach TDA-Applikation

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Weitere Autoren

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 Transcutane Medikamentenverabreichung 


Professor Dr. Brigitte von Rechenberg vom CABMM und ihre Forscherkollegen stellen ihre Studien zur transkutanen Medikamentenverabreichung mit der anovel transdermal application technology vor

Transkutane Wirkstoffabgabe



Chronische tiefe Wunden und chronische Gelenkerkrankungen sind für Patienten aufgrund der ständigen Schmerzen und Einschränkungen im täglichen Leben immer ein Problem, sowohl für Menschen als auch für Tiere. Chronische Wunden können sich aus vielen Gründen als schwer heilbar erweisen. Eine der größten Hemmungen ist die mangelnde Verteilung von Medikamenten an Wundbetten und -rändern aufgrund von übermäßiger Fibrose und Narbenbildung. Fehlende Vaskularität, oft zusammen mit chronischen Infektionen innerhalb des Narbengewebes, ist nur eines der Hauptprobleme.

Hyaline Knorpelschäden innerhalb des Gelenks, die oft durch Entzündungen der Synovialmembran oder kleine Läsionen entstehen, verschlimmern sich mit der Zeit und führen zu irreversiblen Veränderungen. Matrixzerstörung ist das Endergebnis sowohl bei chronischen Entzündungen als auch bei kleinen Läsionen. In beiden Fällen werden matrixabbauende Enzyme wie Metalloproteinasen, Aggrecanasen, Hyaluronidasen und Cathepsine durch Entzündungsmediatoren (Stickstoffmonoxid (NO), Prostaglandin (PGE2)) und Zytokine (Interleukine (IL1, IL6) und Tumornekrosefaktor) ausgelöst und bauen schließlich das Kollagennetzwerk und die Proteoglykane ab, wodurch sich der hydroosmotische Druck des hyalinen Knorpels verändert. Es ist dann nur noch eine Frage der Zeit, bis es zu einer Fibrillierung der Knorpeloberfläche kommt, gefolgt von Riss- und Spaltbildung bis hinunter zur subchondralen Knochenplatte. Die Erosion des Knorpels bis zum subchondralen Knochen ist die verheerende Folge für den Patienten, so dass dann stärkere Therapiemaßnahmen wie der Gelenkersatz durch Voll- oder Teilprothesen notwendig werden können.

Obwohl die Forschung auf dem Gebiet der Arthrose sehr umfangreich ist und viele wichtige Mechanismen aufgeklärt hat, wie die Homöostase des hyalinen Knorpels aus dem Gleichgewicht gerät, können die degenerativen Prozesse noch nicht gestoppt und auch keine vollständige Regeneration der Knorpeloberfläche erreicht werden. Chondroprotektive Präparate oder entzündungshemmende Medikamente können den Mechanismus teilweise verlangsamen und einen Teil der Schmerzen lindern. Einige Ansätze haben sich mit zellbasierten Therapien beschäftigt, aber auch diese können die Gelenkintegrität nicht vollständig wiederherstellen. Wie bei chronischen Wunden ist auch bei Gelenkerkrankungen eines der Hauptprobleme die lokale Verteilung von Medikamenten und die Aufrechterhaltung eines therapeutischen Medikamentenspiegels über einen längeren Zeitraum in den betroffenen Geweben.

Obwohl nicht-steroidale Antirheumatika (NSAID) oder Kortison-Derivate den Grad der chronischen Entzündung und Schmerzen verringern können, können sie den Abbauprozess nicht aufhalten. Im Gegenteil, NSAIDs können dosisabhängig die Aktivität von Metalloproteinasen beschleunigen und Cortison-Derivate können die Synthese neuer Makromoleküle vollständig hemmen. Darüber hinaus kann die chronische systemische Anwendung von NSAIDs und insbesondere von Cortison-Derivaten Komplikationen wie Magengeschwüre, Leber- und Nierenversagen verursachen.

Sowohl bei tiefen Wundinfektionen als auch bei Gelenkerkrankungen sind alternative und innovative Wirkstoff

Applikationstechniken benötigt, die zu effektiven Gewebekonzentrationen mit weniger systemischen Nebenwirkungen führen.

Technologie der transdermalen Applikation (TDA)
Die von uns verwendete TDA-Technologie wurde für human- und veterinärmedizinische Anwendungen entwickelt ("MedDrop" und "VetDrop"). Das Prinzip dieser Technologie basiert auf einer nicht-invasiven, schmerzfreien Abgabe von Wirkstoffen durch oder auf die Haut. Die Anwendungen sind für Therapien von Haut- und auch Gelenkproblemen gedacht. Das System wurde bereits erfolgreich bei menschlichen Patienten mit einer Vielzahl von Hauterkrankungen und bei Pferden mit Lahmheiten eingesetzt. Erklärtes Ziel ist die Zulassung als Medizinprodukt für den humanmedizinischen Markt, daher wurden und werden an unserem Institut auch präklinische Studien an Tieren durchgeführt.

Die Technologie wurde von der MedDrop Technology AG (Zürich, Schweiz) entwickelt und basiert auf einem Sauerstofffluss durch ein Venturi-Ventil sowie einem computergesteuerten Applikationssystem, das eine Nanodispersion einer Medikamentenmischung im Sauerstofffluss erzeugt (Abb. 1). Der komprimierte Sauerstoff wird durch spezielle Schläuche dem Applikatorsystem zugeführt. Der Applikator ist ein Nanodispersionsgerät, das über ein Medikamentenreservoir (kundenspezifische Kapseln) verfügt. Der Sauerstoff treibt das Trägervehikel und die Wirkstoffe unter Druck durch das Diffusorsystem, das in einem Abstand von ca. 2 cm an die Haut gehalten wird. Die Kombination aus dem Sauerstoff und dem Trägermolekül transportiert die Wirkstoffe durch die Haut in das tiefere Gewebe.

TDA bei Hautproblemen
Wie bei der Haut wird die TDA-Technologie bei tiefen Wunden mit einem Gerüst auf Chitosanbasis (Valeoskin®) in Kombination mit Schweinegelatine eingesetzt, um eine vertikale Struktur für die Wunde und einwachsende Zellen aus dem sich regenerierenden Wundbett zu erhalten (Abb. 2). Dieses Gerüst wird in Aminosäuren, Oligopeptide und Glucosaminmonomere abgebaut, die für Regenerationsprozesse genutzt werden können und so die Zellproliferation und Vaskularisierung im Wundbett verbessern. Zusammen mit der TDA-Technologie können auch andere Moleküle (z. B. NSAIDs) in die tieferen Wundbereiche eingebracht werden und damit Bereiche erreichen, die mit herkömmlichen Applikationsmethoden nicht erreichbar sind.

Laufende experimentelle präklinische Studien an Ratten und Katzen am CABMM haben gezeigt, dass die Kombination aus dem Valeoskin-Gerüst und der TDA-Technologie der konventionellen Wundbehandlung weit überlegen ist, so dass sich standardisierte Wunden im Vergleich zu Kontrollen, die nur mit Hydrogel allein behandelt wurden, fast 50 % schneller schließen (Abb. 3). Ebenso konnte in klinischen Studien mit tiefen und chronisch infizierten Wunden beim Menschen aufgrund von diabetischen Ulzera gezeigt werden, dass Langzeitwunden über mehrere Jahre mit der TDA-Technologie in Kombination mit den Valeoskin Scaffolds innerhalb weniger Monate verschlossen werden konnten (klinische Studie läuft).

TDA für Knorpelläsionen
Für Knorpelläsionen wurden am CABMM präklinische Studien an Schafen durchgeführt, um das Regenerationspotenzial der TDA-Technologie am Tiermodell der Femurkondylen des Kniegelenks zu untersuchen. Es wurden experimentelle Läsionen von 6 mm Durchmesser im gewichtstragenden Bereich beider Kondylen erzeugt und mit einer Mikrofrakturierungstechnik in Kombination mit der TDA-Technologie zur Nachbehandlung behandelt (Abb. 4). Es wurden mehrere Gruppen mit Behandlungen unmittelbar nach der Operation und dann alle zwei bis drei Tage für insgesamt 18 Anwendungen gebildet. Die Applikationsfläche betrug 10 cm2 über den Femurkondylen. Das Schaf

erhielten entweder das Vehikel allein, Vehikel plus Chito-Oligosaccharid, Vehikel plus Carprofen (ca. 6,7%), Vehikel plus Chito-Oligosaccharide plus Carprofen oder den Trägersauerstoff allein und schließlich als Kontrolle Carprofen in einer Dosierung von 4mg/kg/BW intravenös verabreicht.

Die Blutkonzentrationen von Carprofen wurden in verschiedenen Zeitintervallen von allen Tieren, den Kontrollen und denjenigen, bei denen Carprofen auch Teil der TDA-Mischung war, gemessen. Nach der ersten Behandlung wurden die Konzentrationen über 18 Stunden gemessen, danach sechs Stunden nach jeder Behandlung bis zu 40 Tagen. Für die intravenöse Kontrollgruppe wurden die Konzentrationen in mehreren Intervallen über 12 Stunden für fünf Tage gemessen, und dann nach acht und 12 Tagen nach den intravenösen Carprofen-Applikationen. Zusätzlich wurden über sechs Wochen in wöchentlichen Abständen Messungen der Synovialflüssigkeit durchgeführt.

Ergebnisse
Bei den TDA-Gruppen konnte die Carprofen-Konzentration bereits 30 Minuten nach der Behandlung gemessen werden, wobei die Spitzenkonzentration nach 18 Stunden erreicht wurde. Die Plasmaspiegel stiegen nach jeder Anwendung an und konnten über die gesamten 18 Anwendungen gut gehalten werden. Obwohl niedriger als in Blutproben, korrelierten die Carprofen-Konzentrationen in der Synovialflüssigkeit gut mit den Plasmakonzentrationen und konnten ebenfalls mit dem Peak nach sechs Wochen gemessen werden. Die Kombination mit Oligosacchariden erhöhte die Permeabilität und die Konzentration in der Synovialflüssigkeit. Es überrascht nicht, dass die Kontrollgruppen bereits zehn Minuten nach der intravenösen Applikation die höchste Spitzenplasmakonzentration von Carprofen aufwiesen und auch eine etwa 300-fach höhere Gesamtkonzentration im Vergleich zur TDA-Gruppe.

Dabei ist allerdings zu beachten, dass die Carprofen-Konzentration in der klassischen intravenösen Injektion höher war als in der Mischung des TDA zu Beginn. Interessant war die Tatsache, dass die TDA-Technik eine länger anhaltende, gleichmäßige und ansteigende Konzentration von Carprofen nach jeder Anwendung lieferte, während die hohen Spitzenwerte nach intravenöser Anwendung recht schnell abfielen und keinen lang anhaltenden Effekt hatten. Obwohl die Konzentration bei der TDA-Technologie niedriger war, reichte die lokale Konzentration aus, um eine verbesserte Wirkung auf den Abbau des angrenzenden hyalinen Knorpels zu erzielen, ohne die gleichen Komplikationseffekte wie bei systemischen Anwendungen zu haben.

Normalerweise degradieren die Ränder einer Knorpelläsion schnell und wirken quasi als "Keimzelle" für den Abbau, um sich weiter in die Knorpelmatrix auszubreiten - dies ist ein Hauptgrund, warum der Knorpelabbau nicht gestoppt werden kann, wenn er einmal begonnen hat. In unseren präklinischen Experimenten an Schafen konnte gezeigt werden, dass die TDA-Technologie mit der Kombination aus Vehikel plus Chito-Oligosaccharide plus Carprofen den histologischen Score des angrenzenden Knorpels gegenüber allen anderen Gruppen verbesserte (Abb. 5). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die niedrigere intraartikuläre Konzentration von Carprofen einen günstigeren Effekt auf die Aufrechterhaltung eines angemessenen Gleichgewichts zwischen regenerativen und degenerativen Prozessen innerhalb des Gelenks haben könnte.

Weitere Studie
Ermutigt durch diese Ergebnisse wurde eine weitere Pilotstudie an Schafen mit einem Tiermodell für chronischen hyalinen Knorpelabbau nach Schaffung eines subchondralen Knochendefekts im proximalen metaphysären Bereich der Tibia durchgeführt. Ein rechteckiger Defekt mit einer Breite von 1,5 cm, einer Höhe von 1,5 cm und einer Tiefe von 1,8 cm wurde auf der medialen Seite des Tibiaplateaus knapp 4 mm unterhalb der Gelenkknorpeloberfläche angelegt. Der Knochendefekt wurde bei allen sechs Tieren mit autologen Knochentransplantaten aufgefüllt.

Frühere Studien, die mit diesem Tiermodell mit 136 Versuchsschafen an der CABMM durchgeführt wurden, zeigten eine schwere Degeneration der Knorpelmatrix bei 100 % der Tiere innerhalb der ersten zwei bis drei Monate, beginnend mit schweren Anzeichen einer Matrixschädigung bereits zwei Wochen nach der Operation. In der Pilotstudie, in der drei Schafe mit drei unbehandelten Tieren verglichen wurden, wurde die TDA-Technologie unmittelbar nach der Operation und danach für tägliche Behandlungen bis zur Tötung der Tiere nach zwei Wochen angewendet. Diesmal bestand die TDA-Mischung für die Wirkstoffe aus Vehikel plus Chito-Oligosaccharide plus Diclofenac anstelle von Carprofen (einem weiteren NSAID).

Unsere früheren Erkenntnisse über die Wirkung der TDA-Technologie zur Verhinderung von Schäden am angrenzenden Knorpel konnten bestätigt werden: Die drei mit Vehikel plus Chito-Oligosacchariden plus Diclofenac behandelten Tiere zeigten einen besseren Erhalt der Knorpeloberfläche im Vergleich zu den unbehandelten Tieren, bei denen Fibrillierung und Spaltbildung leicht sichtbar waren. Insgesamt war der Proteoglykanverlust deutlich geringer, was durch eine verbesserte Matrixfärbung mit Toluidinblau angezeigt wurde. Interessanterweise waren auch kleine Spalten zu sehen, die im Gegensatz zu den Kontrollgruppen noch "zusammengeklebt" waren und deren Ränder noch mit lebensfähigen Zellen gefüllt waren, als ob sie versuchten, die Läsion zu heilen (Abb. 6). Spaltbildungen in Knorpeloberflächen sind normalerweise weit offen und wachsen nicht wieder zusammen. Außerdem waren in den TDA-behandelten Knorpelproben mehr lebensfähige Chondrozyten zu sehen als in den unbehandelten Kontrollen, die nur Autotransplantate zum Auffüllen des Knochendefekts erhalten hatten.

Unsere Hypothese an dieser Stelle ist, dass die TDA-Behandlungen mehrere positive Effekte auf den Knorpelerhalt haben könnten: Die relativ niedrige Konzentration der NSAIDs könnte gerade ausreichen, um den Knorpelabbau lokal zu hemmen, während sie die regenerativen Prozesse und die erforderliche Steigerung der Makromolekülsynthese zur Aufrechterhaltung der Homöostase der Matrix nicht beeinträchtigen. Darüber hinaus kann Sauerstoff als Trägersystem die Lebensfähigkeit und Proliferation von Chondrozyten gleichzeitig günstig beeinflussen. Weitere Studien sind im Gange, in denen die optimalen Konzentrationen der Wirkstoffe und Langzeiteffekte im gleichen Tiermodell getestet werden.

Ausblick
Die TDA-Technologie ist ein vielversprechendes Werkzeug für die transkutane Verabreichung von Wirkstoffen in tiefere Gewebeschichten, die im Krankheitsfall für die klassischen Wege der Medikation möglicherweise nicht zugänglich sind. Zukünftige Studien am CABMM werden die Möglichkeit untersuchen, regenerative und entzündliche Prozesse in der Wund- und Knorpelregeneration mit dieser Art von Medikamenten zu modulieren.

Referenzen

Roland Schubotz: Der Einfluss eines definierten Defektes im subchondralen Knochen auf den darüberliegenden Knorpel (Diplomarbeit angenommen, Dezember 2008)
Nathalie Fouché: Konzentrationsanlysen und pharmakokinetische Betrachtungen transdermaler Applikation von Carprofen mit Hilfe einer neuartigen Applikationstechnik (Diplomarbeit angenommen September 2012)


Sidler Michèle, Nathalie Fouché, Ingmar Meth, Friedrich von Hahn, Brgitte von Rechenberg und Peter W Kronen (2013): Transkutane Behandlung mit Vetdrop®erhält den angrenzenden Knorpel in einem mikrofrakturierenden Gelenkdefektmodell, in: The Open Orthopedics Journal, 7, 57-66. DOI: 10.2174/1874325001307010057


Sidler Michèle, Nathalie Fouché, Ingmar Meth, Friedrich von Hahn, Brigitte von Rechenberg, Peter W Kronen (2014): Vorstudie zu Carprofen-Konzentrationsmessungen nach transkutaner Behandlung mit Vetdrop® in einem Mikrofraktur-Gelenkdefektmodell, in: BMC Veterinary Research, 10.268. doi:10.1186/s12917- 014-0268-6




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Brigitte von Rechenberg Prof. Dr. med. vet., Dipl. ECVS

Musculoskeletal Research Unit (MSRU) Abteilung Kleintierchirurgie

Das Kompetenzzentrum für Angewandte Biotechnologie und Molekulare Medizin (CABMM)

 

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