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Anwendung von Poly(ethylenglycol) beim Wirkstoff-Transport Vorteile Nachteile und Alternativen.

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Aufstze
U. S. Schubert et al.
DOI: 10.1002/ange.200902672
Wirkstoff-Transport
Anwendung von Poly(ethylenglycol) beim WirkstoffTransport: Vorteile, Nachteile und Alternativen
Katrin Knop, Richard Hoogenboom, Dagmar Fischer und Ulrich S. Schubert*
Stichwrter:
Wirkstofftransport · Nanotechnologie ·
Poly(ethylenglycol) · Polymere ·
Stealth-Effekt
In Memoriam Victor A. Kabanov
Angewandte
Chemie
6430
www.angewandte.de
2010 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Angew. Chem. 2010, 122, 6430 – 6452
Angewandte
Wirkstoff-Transport
Chemie
Im stetig wachsenden Feld der Polymer-basierten Wirkstoff-Transport-Systeme gilt Poly(ethylenglycol) (PEG) als der Goldstandard fr
Stealth-Polymere. Welche Eigenschaften PEG aufweist, die diese
herausragende Stellung rechtfertigen, soll in diesem Aufsatz diskutiert
werden. Die ersten PEGylierten Produkte erschienen bereits vor
20 Jahren auf dem Markt. Seither konnten viele Erkenntnisse in klinischen Untersuchungen gewonnen werden, allerdings wurden dabei
nicht nur Vorteile festgestellt, sondern auch mgliche Nebenwirkungen
und Komplikationen bei der Anwendung aufgedeckt. Diese mglichen
Nachteile, die eine tiefergehende Untersuchung erfordern, knnen in
folgende Kategorien unterteilt werden: Hypersensitivitt, Vernderungen der Pharmakokinetik, toxische Nebenprodukte sowie ein Abbauparadoxon, das aus der Etherstruktur resultiert: Einerseits kann
das Polymer relativ einfach unter mechanischer Belastung abgebaut
werden, andererseits wird jedoch ein biologischer Abbau verhindert,
was bei In-vivo-Anwendungen zur Anreicherung im Krper fhren
kann. Der Aufsatz diskutiert diese mglichen Nachteile und stellt
alternative Polymere vor.
1. Einleitung
Polymermaterialien, die pharmakologisch relevante Molekle physikalisch einschließen knnen, und Polymerkonjugate, die zur chemischen Bindung aktiver Molekle dienen,
spielen in der pharmazeutischen Technologie eine immer
bedeutendere Rolle. Die Aufgabe beider Systeme ist der gezielte Transport von Wirkstoffen an ihren Wirkort im Krper.
Durch die physikalische oder chemische Bindung von aktiven
Moleklen an Polymerstrukturen kann deren Molmasse
deutlich erhht werden, was zu einer verminderten Ausscheidung ber die Nieren fhrt. Dadurch verweilt das polymere Transportsystem zusammen mit seiner pharmazeutischen Beladung lnger im Blutkreislauf und hat somit mehr
Zeit, den angestrebten Wirkort zu erreichen. Whrend dieses
verlngerten Aufenthalts im Blut muss jedoch verhindert
werden, dass eine Immunreaktion ausgelst und das Konjugat
als Folge aus dem Krper eliminiert wird. Eine Abschirmung
des Transportsystems gegen unspezifische Wechselwirkungen
mit dem Organismus, z. B. Blutkomponenten (Opsonierung),
die das Komplementsystem aktivieren, ist unter dem Begriff
Stealth-Effekt bekannt. Die Verhinderung von Opsonierung
einerseits und die Erhhung der Wasserlslichkeit von
Wirkstoffen andererseits knnen durch das Anbinden an
hydrophile Polymere erreicht werden. PEG ist fr diese
Zwecke das Polymer der Wahl unter den nichtionischen, hydrophilen Materialien fr Stealth-Anwendungen. Zustzlich
reduziert eine Abschirmung mit PEG die Mglichkeit der
Konjugate zu aggregieren und ermglicht durch diese sterische Stabilisierung Formulierungen mit erhhter Stabilitt
whrend der Lagerung und Anwendung.
In diesem Aufsatz werden zunchst die Voraussetzungen
diskutiert, die hydrophile Polymere fr eine Anwendung im
Wirkstoff-Transportbereich mitbringen mssen. Im Anschluss werden die vielfltigen Anwendungsmglichkeiten
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Aus dem Inhalt
1. Einleitung
6431
2. Historische Entwicklung
6431
3. Vorteile von PEG
6434
4. Nachteile von PEG
6436
5. PEG: Zusammenfassung
6440
6. Potenzielle Alternativen fr
PEG
6440
7. Zusammenfassung
6448
von PEG im pharmazeutisch-medizinischen Sektor vorgestellt, die sich aus den zahlreichen positiven Eigenschaften
dieses Polymers ergeben. Diese Vorteile werden ebenso diskutiert wie eventuelle Nachteile und unerwnschte Nebenwirkungen, die sich aus der Anwendung in der Pharmazie
ergeben. Im letzten Teil des Aufsatzes werden schließlich
Polymere vorgestellt, die alternativ als hydrophile Hllen fr
Transportsysteme und Konjugate eingesetzt werden knnten,
wobei auch ihr aktueller Forschungsstand nher beleuchtet
werden soll.
2. Historische Entwicklung
Wegen seiner positiven Wirkung auf die pharmakokinetischen Eigenschaften von aktiven Moleklen und Transportsystemen hat PEG immer weitere Verbreitung in der
Pharmazie und Medizin gefunden. Vernderungen der Phar[*] K. Knop, Prof. U. S. Schubert
Lehrstuhl fr Organische und Makromolekulare Chemie (IOMC)
Friedrich-Schiller-Universitt Jena
Humboldtstraße 10, 07745 Jena (Deutschland)
Fax: (+ 49) 3641-948-202
E-Mail: ulrich.schubert@uni-jena.de
Homepage: http://www.schubert-group.com
Dr. R. Hoogenboom, Prof. U. S. Schubert
Laboratory of Macromolecular Chemistry and Nanoscience
Eindhoven University of Technology
PO Box 513, 5600 MB Eindhoven (Niederlande)
K. Knop, Dr. R. Hoogenboom, Prof. U. S. Schubert
Dutch Polymer Institute (DPI)
PO Box 902, 5600 AX Eindhoven (Niederlande)
Prof. D. Fischer
Lehrstuhl fr Pharmazeutische Technologie
Friedrich-Schiller-Universitt Jena (Deutschland)
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U. S. Schubert et al.
makokinetik ergeben sich aus der Abschirmung der Trgersysteme gegen den Krper, was zu einer verlngerten Zirkulationszeit im Blutkreislauf fhrt. Durch die lngere Verweildauer wird die Wahrscheinlichkeit erhht, den gewnschten Wirkort im Krper zu erreichen, bevor das Trgersystem vom Immunsystem erkannt und eliminiert wird. Aus
diesem Grund besteht die Mehrzahl der Konjugate und der
liposomalen sowie der micellaren Formulierungen, die bereits
auf dem Markt sind oder sich in fortgeschrittenen klinischen
Studien befinden, aus PEG-haltigen Produkten.[1] In der Tat
sind smtliche kommerziell erhltlichen polymerbasierten
Transportsysteme, die den Stealth-Effekt nutzen, PEG-funktionalisierte (PEGylierte) Produkte (Tabelle 1).[1–3] Diese
Erfolgsgeschichte der PEG-Transportsysteme konnte bislang
mit keinem anderen synthetischen hydrophilen Polymer
wiederholt werden.
Schon in den 1970er Jahren wurde ber den Einfluss der
PEGylierung auf die Pharmakokinetik von aktiven Moleklen berichtet, jedoch fand dieses Konzept erst in den 1990er
Jahren eine breite Anwendung fr verschiedene WirkstoffTransportsysteme (einen berblick ber ausgewhlte Wirkstoff-Transportsysteme gibt Abbildung 1).[4, 5]
Den ersten Beleg fr die Mglichkeiten der PEGylierung
erbrachten Abuchowski et al. 1977 in zwei Studien. Dabei
zeigten die Autoren zum einen, dass PEGyliertes Albumin
eine schwchere Immunantwort als natives Albumin auslst,
und zum anderen konnten sie fr PEGylierte Leberkatalase
eine Verlngerung der Blutzirkulationsdauer von 12 auf 48 h
unter Erhaltung der Enzymaktivitt nachweisen.[6, 7] Seit
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Abbildung 1. berblick ber Trger fr den Wirkstoff-Transport.
diesen ersten Arbeiten ist eine Vielzahl von PEG-Konjugaten
mit Proteinen, Polypeptiden, DNA, RNA und verschiedenen
niedermolekularen Verbindungen verffentlicht worden. Fr
viele dieser Konjugate konnte eine hhere Stabilitt und
sogar eine hhere Effizienz als die der Ausgangsmolekle
nachgewiesen werden. Mehrere Konjugate wurden von den
Zulassungsbehrden bereits fr den kommerziellen Gebrauch genehmigt. Tabelle 1 zeigt die berragende Rolle, die
PEG-Konjugate unter modernen Wirkstoff-Transportsystemen spielen.[1–3] Einen tieferen Einblick in dieses Thema
Katrin Knop wurde 1981 in Dresden geboren. Sie erhielt ihr Diplom in Chemie an der
Universitt Jena. Im Anschluss beschftigte
sie sich whrend eines Marie-Curie-Forschungsaufenthaltes im Rahmen des NANOTOOL-EST-Projektes in Toulouse (Frankreich) mit polymeren Wirkstoff-Transportsystemen fr die photodynamische Therapie.
Seit 2007 ist sie Doktorandin bei U. S.
Schubert an der Universitt Jena, wo sie an
der Synthese und Charakterisierung von
Wirkstoff-Transportsystemen arbeitet.
Dagmar Fischer wurde 1967 in Coburg geboren. Sie studierte Pharmazie an der Universitt Wrzburg und promovierte 1997 an
der Universitt Marburg. Nach Aufenthalten
am Texas Tech University Health Sciences
Center 2002 und 2003 habilitierte sie 2004
an der Universitt Marburg. 2004–2008 war
sie Leiterin der Abteilung fr Prklinische
Forschung und Entwicklung der Antisense
Pharma GmbH. Seit 2008 ist sie Professorin
fr Pharmazeutische Technologie an der
Universitt Jena. Ihr Forschungsschwerpunkt
liegt im Bereich nanopartikulrer WirkstoffTransportsysteme mit Schwerpunkt auf polymerbasierten Trgern.
Richard Hoogenboom wurde 1978 in Rotterdam (Niederlande) geboren und studierte
Chemieingenieurwesen an der TU Eindhoven
(Niederlande). Bis 2005 promovierte er
unter Anleitung von U. S. Schubert. Anschließend setzte er seine Arbeit als Projektleiter am Dutch Polymer Institute fort. Nach
einem Postdoktorat bei M. Mller an der
RWTH Aachen (Humboldt-Stipendiat) und
bei R. J. M. Nolte an der Radboud-Universitt Nijmegen (NWO veni-grant) ist er seit
Juli 2010 Associate Professor an der Universitt Ghent.
Ulrich S. Schubert wurde 1969 in Tbingen
geboren. Er studierte Chemie in Frankfurt
und Bayreuth sowie an der Virginia Commonwealth University (Richmond, USA).
Seine Doktorarbeit fhrte er an der Universitt Bayreuth und der University of South
Florida (Tampa, USA) durch. Nach einem
Postdoktorat bei J.-M. Lehn an der Universitt Straßburg (Frankreich) habilitierte er
1999 an der TU Mnchen. 1999–2000 war
er Professor am Center for NanoScience der
Universitt Mnchen und 2000–2007 an der
TU Eindhoven. Gegenwrtig hat er den
Lehrstuhl fr Organische und Makromolekulare Chemie an der FriedrichSchiller-Universitt Jena inne.
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Tabelle 1: In den USA und/oder der EU zugelassene Wirkstoff-Transportprparate, die PEG zur sterischen Stabilisierung enthalten.[a]
PEGylierter Wirkstoff
Hersteller
Indikation
Zulassungsjahr
Adagen (11–17 5 kDa mPEG pro AdenosinDesaminase)
Enzon Inc. (USA, EU)
schwerer kombinierter
Immundefekt
1990 (USA)
Oncospar (5 kDa mPEG-l-Asparaginase)
Enzon Inc. (USA)/Rhne-Poulenc
Rorer (EU)
akute lymphatische
Leukmie
1994 (USA)
Doxil/Caelyx (SSL-Formulierung von Doxorubicin) Alza Corp. (USA)/Schering-Plough Kaposisarkom,
Corp. (EU)
Ovarialkarzinom, Mammakarzinom,
multiples Myelom
1995 (USA),
1999 (USA),
alle 1996 (EU)
PEG-Intron (2 20 kDa mPEG-Interferon-a-2a)
Schering-Plough Corp. (USA, EU)
chronische Hepatitis C
2000 (EU),
2001 (USA)
Pegasys (12 kDa mPEG-Interferon-a-2b)
Hoffmann-La Roche (USA, EU)
chronische Hepatitis C
2002 (USA, EU)
Neulasta (20 kDa mPEG-G-CSF)
Amgen Inc. (USA, EU)
febrile Neutropenie
2002 (USA, EU)
Somavert (4–6 5 kDa mPEG pro modifizierten
HG-Rezeptor-Antagonisten)
Pfizer (USA, EU)
Acromegalie
2002 (EU),
2003 (USA)
Macugen (2 20 kDa mPEG-anti-VEGF-Aptamer)
Pfizer (EU)/OSI Pharm. Inc. und
Pfizer (USA)
altersbedingte
Makuladegeneration
2004 (USA),
2006 (EU)
Cimzia (2 40 kDa mPEG-anti-TNFa)
UCB S. A. (USA, EU)
Morbus Crohn,
rheumatoide Arthritis
2008 (USA),
2009 (USA),
2009 (EU)
[a] mPEG: Methoxypoly(ethylenglycol), SSL = sterisch stabilisierte Liposomen, G-CSF = Granulozyten-Kolonie stimulierender Faktor, HG = menschlicher Wachstumsfaktor, VEGF = vaskulrer Endothelwachstumsfaktor, TNF = Tumornekrosefaktor.
geben zwei Ausgaben der Zeitschrift Advanced Drug Delivery Reviews.[8, 9]
Anders als bei den Konjugaten fand das Konzept der
PEGylierung bei partikulren Systemen erst in den 1990er
Jahren Beachtung. Gref et al. beobachteten, dass 66 % der
injizierten nicht-PEGylierten Poly(l-lactid-co-glycolid)-Mikropartikel innerhalb von nur fnf Minuten durch die Leber
aus dem Blut entfernt wurden. Dagegen wurden weniger als
30 % der Partikel, deren Oberflche mit 20 kDa PEG modifiziert war, nach 2 h in der Leber wiedergefunden.[10] Diese
Studie bildete den Anfang des Einsatzes von PEG im pharmazeutischen Bereich der Mikropartikelanwendung, deren
Geschichte bis in die 1950er Jahre zurckgeht.[11]
Auch die Verwendung von Liposomen in der Pharmazie
reicht in die 1960er Jahre zurck,[12, 13] allerdings gelang der
Durchbruch bei ihrer Anwendung erst 1990, als mehrere
Gruppen gleichzeitig berichteten, dass durch PEGylierung
der liposomale Transport von Wirkstoff-Moleklen im
Krper entscheidend beeinflusst werden kann.[14–16] Klibanov
et al. konnten beispielsweise zeigen, dass konventionelle Liposomen nach 5 h vollstndig aus dem Blut eliminiert
werden, whrend nach der selben Zeit noch 49 % der sterisch
stabilisierten PEG-Liposomen im Blut zirkulierten.[14] Diese
Entdeckungen bereiteten den Weg fr das einzige kommerziell erhltliche partikulre Wirkstoff-Transportsystem –
Doxil/Caelyx –, das PEGylierte Stealth-Liposomen zum
Einschluss von Doxorubicin nutzt (Tabelle 1).[17–19]
Ringsdorf warf schon in den 1970er Jahren die Idee auf,
micellbildende, amphiphile Polymere fr Wirkstoff-Transportsysteme zu verwenden, allerdings wurde PEG als hyAngew. Chem. 2010, 122, 6430 – 6452
drophiler Teil solcher Polymere von Kabanov et al. vorgeschlagen.[20] Kataoka und Kwon luteten schließlich mit ihrer
Arbeit die breite Anwendung von PEG-Blockcopolymeren in
micellaren Wirkstoff-Transportsystemen[21] und damit die
Entwicklung von dendritischen und sternfrmigen Polymerstrukturen ein, die eine bessere Kontrolle ber Architektur,
Grße, Form und Oberflchenfunktionalitt von Micellen
ermglichen, jedoch auf Kosten einer hheren Komplexitt
im Vergleich zu linearen Blockcopolymeren.[22]
Das Gebiet der Gentherapie hatte in den letzten beiden
Jahrzehnten enorme Fortschritte zu verzeichnen und kurbelte
die Entwicklung von effizienten Vektoren fr Transfektionen
an. Fr einen solchen Einsatz werden jedoch spezielle Anforderungen an das Polymer gestellt. Bedingt durch den anionischen Charakter der DNA kommen im Allgemeinen
kationische Vektoren zum Einsatz, welche die DNA durch
elektrostatische Wechselwirkungen komplexieren. Die kationische Ladung ist jedoch fr die Toxizitt und schnelle
Elimination des polymeren Trgermaterials im Krper verantwortlich. Bei PEGylierten nichtviralen Vektoren findet
man eine geringere Verteilung in die Lunge sowie eine geringere Toxizitt (insbesondere unmittelbar nach Applikation) als bei den unmodifizierten Komplexen.[23–25] Dieser positive Einfluss ist auf geringere Komplexaggregation zurckzufhren, die zu einer verringerten pulmonalen Filtration
fhrt. Zustzlich resultieren die eingeschrnkten Wechselwirkungen mit Blutbestandteilen in einer verzgerten Aufnahme der Komplexe durch Leber und Milz, den Organen des
retikuloendothelialen Systems (RES).[23, 26] Bei einem Vergleich zwischen 25-kDa-Poly(ethylenimin) (PEI) und einem
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mit 50 Moleklen 550-Da-PEG konjugierten Derivat erreichte das PEGylierte Copolymer 15 min nach intravenser
(i.v.) Injektion nur 50 % der Akkumulationswerte des unmodifizierten Polykations in Leber und Niere. Dieser Befund
konnte mit einer verlngerten Blutzirkulationsdauer des
PEGylierten PEI [reprsentiert durch eine erhhte (+ 63 %)
Flche unter der Kurve (area under the curve, AUC)] und
einer lngeren terminalen Eliminationsphase als bei unmodifiziertem PEI korreliert werden. Auch fr andere kationische Polymere konnten diese Auswirkungen der PEGylierung
nachgewiesen werden. In einer Gegenberstellung wurde ein
Anstieg der Menge des im Blut zirkulierenden Polyplexes von
15 % fr unmodifiziertes Poly(l-lysin) (PLL) auf 69 % fr das
PEGylierte Polykation gezeigt.[23]
Dieser Einblick in verschiedene Wirkstoff-Transportformen verdeutlicht, dass sich PEGylierte Wirkstoff-Molekle,
Liposomen und Nanotransportsysteme durch eine verminderte Ausscheidung ber die Niere, eine reduzierte Aufnahme durch das RES sowie einen verringerten enzymatischen
Abbau auszeichnen. Daraus resultiert eine verlngerte Blutzirkulationsdauer, die wiederum zu einer erhhten Bioverfgbarkeit der PEGylierten Wirkstoffe und Transportsysteme
fhrt. Dadurch knnen sowohl die Hufigkeit als auch die
Dosis der Medikation verringert werden, was die Lebensqualitt der Patienten verbessert und Kosten reduziert.[1, 27]
Eine PEGylierung von Konjugaten und Transportsystemen fhrt zustzlich zu einer scheinbaren Vergrßerung der
Molmasse der Wirkstoff-Molekle. Die von Maeda et al.
postulierte erhhte Permeabilitt und Retention (EPR) ist
auf diese Erscheinung zurckzufhren. Der EPR-Effekt fhrt
einerseits zu einer verringerten Ausscheidung der WirkstoffMolekle ber die Nieren und andererseits zu einer Konzentration der Partikel in z. B. entzndetem oder Tumorgewebe.[28] Diese Gewebearten sind durch eine Hypervaskularisation gekennzeichnet und weisen gleichzeitig undichte
Blutgefße auf. Wegen dieser unorganisierten und nur locker
verbundenen Endothelzellen knnen Nanopartikel in das
neoplastische Gewebe eindiffundieren. Zustzlich zeigen
derartige Gewebe eine verringerte Lymphdrainage, sodass
ein Verbleib der Partikel im interzellulren Raum gewhrleistet wird (Abbildung 2). Im Tumorgewebe wird darber
hinaus eine vermehrte Bildung von Faktoren beobachtet, die
die Durchlssigkeit der Gefßwnde zustzlich erhhen,
sodass die Aufnahme von Makromoleklen weiter begnstigt
wird. Der EPR-Effekt wird auch als passives Targeting bezeichnet und bildet die Grundlage fr den Erfolg von gezieltem Polymer-basiertem Wirkstoff-Transport bei verschiedenen Erkrankungen (Krebs, Entzndungen), die durch
durchlssige Endothelgewebe charakterisiert sind.[28–30]
Einige Polymere zeigen bei nderung des umgebenden
Milieus ein nichtlineares Verhalten. Diese Vernderungen
bestehen beispielsweise in Temperatur- oder pH-Wert-nderungen und knnen als Antwort z. B. eine Verminderung
der Lslichkeit des Polymers hervorrufen. Polymere, die
dieses Verhalten zeigen, werden stimuliresponsive Polymere
genannt und knnen fr das passive Targeting genutzt
werden. Auf diese Weise kann durch Verwendung pH-Wertempfindlicher Polymere der niedrigere pH-Wert z. B. in Tumorgeweben (pH 6.5–7.2; pH-Wert von Blut: 7.35–7.45) ge-
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Abbildung 2. Schematische Darstellung des EPR-Effektes.
nutzt werden. Dieser Abfall des pH-Wertes kann zu einer
Ausfllung des Polymers fhren und so dessen Anreicherung
im Krebsgewebe weiter begnstigen, inklusive des am Polymer gebundenen oder im Transportsystem eingeschlossenen
Wirkstoffes. Dieser Ansatz der Verwendung stimuliresponsiver Polymere zum passiven Targeting kann auf sehr viele
unterschiedliche Reize und mgliche Verhaltensnderungen
des Polymers erweitert werden. Der interessierte Leser sei an
entsprechende Aufstze zu diesem Thema verwiesen.[31–34]
Die ausgewhlten Anwendungsbeispiele demonstrieren
die wachsende Bedeutung von Polymeren im Allgemeinen
und PEG im Speziellen im Bereich des Wirkstoff-Transports.
3. Vorteile von PEG
Nicht jedes beliebige hydrophile Polymer kann fr
Wirkstoff-Transportanwendungen genutzt werden und zeigt
den gewnschten Stealth-Effekt. Die Eigenschaften, die das
pharmakokinetische Verhalten und die Wirkung von PEG
beeinflussen, sollen in diesem Abschnitt diskutiert werden.[35]
In vielen wissenschaftlichen Arbeiten wurde der Einfluss
der Molmasse sowie der Polydispersitt der Grßenverteilung der verwendeten Polymere auf deren Biokompatibilitt
und Stealth-Verhalten nachgewiesen. Die Molmassen von
PEG in pharmazeutischen und medizinischen Anwendungen
liegen zwischen 400 Da und 50 kDa. Fr die Konjugation
niedermolekularer Wirkstoff-Molekle, Oligonucleotide und
siRNA wird vorrangig PEG mit Molmassen von 20–50 kDa
eingesetzt. Dadurch erreichen die Konjugate eine Grße, die
ber der Nierenschwelle liegt und die rasche Ausscheidung
verhindert. PEGs mit niedrigerer Molmasse von 1 bis 5 kDa
werden fr die Konjugation von grßeren Wirkstoff-Moleklen, wie Antikrpern, oder partikulren Systemen verwendet. Auf diese Weise knnen Opsonierung und die anschließende Entfernung durch das RES verhindert sowie der
enzymatische Abbau verringert oder kationische Ladungen
maskiert werden. Fr den oralen Gebrauch findet PEG mit
Molmassen von 3 bis 4 kDa in Abfhrmitteln wie GoLYTELY und MoviPrep Anwendung.
Ein vom menschlichen Krper abbaubares Polymer wre
eigentlich vorteilhafter, um eine vollstndige Elimination zu
gewhrleisten, jedoch knnen bioabbaubare Polymere andere
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Probleme mit sich bringen, z. B. toxische Abbauprodukte
oder eine geringe Haltbarkeit. Bei dieser Diskussion sollte
jedoch bedacht werden, dass die Ausscheidung des Polymers
nicht direkt von seiner Molmasse abhngt, sondern entscheidend von seinem hydrodynamischen Volumen bestimmt
wird. Dieses wiederum kann deutlich von der Architektur des
Polymers beinflusst werden: So haben sternfrmige Polymere
und Dendrimere ein niedrigeres hydrodynamisches Volumen
als lineare Polymere mit hnlichen Molmassen.[36, 37]
Außer der Molmasse spielt auch der Polydispersittsindex
(PDI) des Polymers eine wesentliche Rolle fr pharmazeutische und medizinische Anwendungen. Ein PDI unter 1.1 gilt
als Grundvoraussetzung, um eine akzeptable Homogenitt
des Polymers und damit eine reproduzierbare Aufenthaltsdauer im Krper und Immunogenitt des Transportsystems
zu gewhrleisten.[1, 38] PEG erfllt diese Voraussetzungen mit
Leichtigkeit, da die Synthese des Polymers durch anionische
Polymerisation von Ethylenoxid einen PDI um 1.01 ermglicht.
Zustzlich zu seiner Hydrophilie zeigt PEG auch eine
hohe Lslichkeit in organischen Lsungsmitteln und ermglicht so eine Vielzahl von Endgruppenmodifikationen. Die
Bindung von PEG an hydrophobe Wirkstoff-Molekle oder
Transportsysteme kann deren Wasserlslichkeit entscheidend
verbessern. Außerdem kann sie zu einer hheren thermischen
und physikalischen Stabilitt der Wirkstoff-Molekle fhren
und verhindert oder reduziert die Aggregation der Molekle
whrend der Lagerung und in vivo durch sterische Hinderung
und Maskierung von Ladungen unter Bildung einer „Konformationswolke“.
PEG bildet diese „Konformationswolke“ mit seiner sehr
flexiblen Hauptkette; die große Beweglichkeit der Polymerkette ermglicht zahlreiche Konformationen. Je hher die
Wahrscheinlichkeiten zum bergang von einer Konformation in eine andere sind, desto eher liegt das Polymer statistisch
als „Konformationswolke“ vor.[39] Allerdings hngt die Bildung einer wirkungsvollen sterischen Wolke auf der Oberflche von Partikeln nicht nur vom Polymer ab, sondern
ebenso von anderen Faktoren, wie der Molmasse, der Oberflchendichte und der Art, wie das Polymer an die Oberflche
gebunden wurde (z. B. brsten- oder pilzartig).[40, 41]
Diese „Konformationswolke“ ist verantwortlich fr die
Hemmung der Wechselwirkungen von Konjugaten und
Transportsystemen mit Blutbestandteilen und Proteinen,
wodurch der enzymatische Abbau und eine opsonierungsbedingte Aufnahme durch das RES reduziert werden. Durch die
geringeren Wechselwirkungen mit dem menschlichen Krper
zeigen PEGylierte Produkte eine niedrigere Immunogenitt
und Antigenitt; Hmolyse und Erythrozytenaggregation
sowie das Risiko einer Embolie werden vermindert. Die
sterische Hinderung hat fr geladene Transportsysteme den
zustzlichen Vorteil, dass die Ladung maskiert wird und dadurch das Zetapotential sowie ladungsinduzierte Wechselwirkungen abnehmen. Als Folge wird eine Erkennung durch
das Immunsystem unterdrckt. Alle diese Eigenschaften zusammengenommen werden mit dem Begriff Stealth-Effekt
umschrieben, der sich von getarnten Stealth-Flugzeugen ableitet.
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Whrend die besondere Bedeutung von PEG speziell fr
die Pharmakokinetik durch seine Stealth-Eigenschaft bedingt
ist, machen es seine geringe Toxizitt und gute Wasserlslichkeit hervorragend geeignet fr smtliche biologischen
Anwendungen. Seine gute Vertrglichkeit wurde durch eine
Reihe von Untersuchungen zur akuten und Kurzzeittoxizitt
belegt, die z. B. an Ratten, Musen, Meerschweinchen, Affen
und Hunden durchgefhrt wurden. Dabei wurde festgestellt,
dass die gastrointestinale Absorption von PEG mit steigender
Molmasse sinkt. Bei Untersuchungen an Ratten wurde gezeigt, dass PEG mit einer Molmasse von 4–6 kDa ber einen
Zeitraum von 5 h nicht aus dem Darm resorbiert wird. 1-kDaPEG dagegen kann bis zu 2 % resorptiv aufgenommen
werden. Die Ausscheidung erfolgt ber die Nieren. Nach i.v.
Injektion von 1 g 1-kDa- bzw. 6-kDa-PEG im Menschen
wurden in zwlf Stunden 85 bzw. 96 % des Polymers im Urin
ausgeschieden. Die mittlere letale Dosis (LD50) bei oraler
Verabreichung war grßer als 50 g pro kg Krpergewicht fr
6-kDa-PEG (50-proz. Lsung in Wasser) im Fall von Musen,
Ratten, Kaninchen und Meerschweinchen. Nach intraperitonealer (i.p.) Verabreichung betrgt die LD50 fr Muse 5.9
und Ratten 6.8 g kg 1.
In Kurzzeitstudien an Affen (Macaca fascilaris), die eine
tgliche Dosis von 2–4 mL kg 1 200-Da-PEG ber einen
Verabreichungszeitraum von 13 Wochen erhielten, wurden
intratubulre Ablagerungen von Oxalatkristallen in der
Nierenrinde beobachtet, die jedoch nicht mit anderen klinischen oder pathologischen Befunden korrelierten. Whrend
einer Langzeitstudie ber zwei Jahre erhielten Albinoratten
tglich eine Dosis von 0.06 g kg 1 1-kDa-PEG oder 0.02 g kg 1
4-kDa-PEG. In keinem der beiden Flle wurden signifikante
Nebenwirkungen bobachtet.[42] Nierentoxizitt konnte nur fr
PEG mit niedrigen Molmassen von 200–600 Da bei Labortieren und bei Verbrennungspatienten, deren verletzte
Hautpartien ußerlich mit PEG behandelt wurden, festgestellt werden.
Sicherheitsprfungen von PEG-Lsungen, die fr Darmsplungen vor Darmspiegelungen angewendet werden,
kommen zu dem Schluss, dass PEG nur ein geringes Risiko
fr Nierenschden aufweist, unter der Voraussetzung, dass
keine Vorschdigung der Niere vorliegt. Des Weiteren
wurden weder in Inhalationstoxizittsstudien noch bei Mutagenitts- und Karzinogenittstests signifikante Nebenwirkungen festgestellt. Biondi et al. zeigten jedoch, dass 200-DaPEG nach Aktivierung im Stoffwechsel genotoxisch wirken
kann. Dazu untersuchten sie die Chromosomenaberration in
CHEL- und CHO-Zelllinien nach Aktivierung mit S9-Mix.
Fr den genannten Molmassenbereich wurde eine potenzielle
genotoxische Wirkung beobachtet.[43]
Zusammenfassend zeigen PEGs mit hnlicher Molmasse
im Allgemeinen hnliche In-vivo-Toxizitten, die mit steigender Molmasse abnehmen, da die Absorption im gastrointestinalen Trakt sinkt. Die Dosis, die sicher keine toxischen
Wirkungen hervorruft, wurde mit 20 000 ppm beziffert, entsprechend einer Gabe von 1 g pro kg Krpergewicht. Die
geschtzte akzeptable tgliche Aufnahme liegt bei bis zu
10 mg pro kg Krpergewicht.
Diese gnstigen toxikologischen Befunde sowie der
Erfolg von PEG bei Wirkstoff-Transportanwendungen gaben
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den Anlass, den Einsatz von PEG auch in anderen medizinischen Bereichen zu erwgen. So konnte PEG zum Schutz
von Blut- und Organkonserven eingesetzt werden, wobei es
bedeutend die Blutkompatibilitt von Poly(vinylchlorid)Beuteln verbessert und die Aggregation der roten Blutzellen
reduziert.[44–47] PEG-Copolymere, die in kardiovaskulren
Produkten zum Einsatz kommen, z. B. in Stent-Implantaten,
knnen die Bildung von Thrombosen signifikant verringern.[48]
Darber hinaus kommt PEG nicht nur bei der Formulierung von pharmazeutischen Produkten fr parenterale,
dermale, nasale und okulare Anwendungen zum Einsatz,
sondern fungiert auch als Wirkstoff in Abfhrmitteln. Die
bereits genannte Hemmung von Wechselwirkungen mit Biomoleklen fhrt zu einer Reihe von Anwendungen im Bereich von fulnisverhtenden Antihaftoberflchen, z. B. bei
der Merrifield-Synthese,[49] der Ultrafiltration[50] oder zum
Schutz von Kontaktlinsen vor Befall mit pathogenen Bakterien und Pilzen.[51, 52] PEG bildet in Verbindung mit hydrophoben Moleklen wie lsure oberflchenaktive Substanzen, die in zahlreichen Kosmetikprodukten enthalten sind,
von Zahnpasta bis hin zu Krperpflegeprodukten wie
Shampoos, Seifen, Parfums, Aftershaves, Lotionen, Gesichtspudern oder Lidschatten.[53, 54] Diese ausgewhlten Beispiele zeigen, dass PEG nicht nur in sehr speziellen Anwendungen der Pharmazie und Medizin zum Einsatz kommt,
sondern ein tgliches Konsumprodukt ist und uns in unserem
alltglichen Leben umgibt.
4. Nachteile von PEG
Der steigende Gebrauch von PEG und PEGylierten
Produkten in der pharmazeutischen Forschung und in klinischen Anwendungen liefert nicht nur neue Erkenntnisse ber
die gnstigen Eigenschaften und deren zugrundliegende
Mechanismen, sondern erhht natrlich auch die Wahrscheinlichkeit, auf mgliche Nebenwirkungen und Nachteile
zu stoßen.
Diese nachteiligen Effekte lassen sich in verschiedene
Gruppen einteilen: Zum einen knnen das Polymer selbst
oder Nebenprodukte der Synthese Nebenwirkungen im
menschlichen Krper haben, die zur Hypersensitivitt fhren.
Zustzlich knnen bei der Verwendung von PEGylierten
Transportsystemen unerwartete nderungen des pharmakokinetischen Verhaltens auftreten. Ein interessanter Antagonismus ergibt sich aus der relativ leichten Degradation von
PEG unter mechanischer Belastung nach der Einwirkung von
Sauerstoff und der Tatsache, dass PEG nicht biologisch abbaubar ist. Diese potenziellen Schwchen und deren Bedeutung sowie der Einfluss auf Anwendungen fr WirkstoffTransportsysteme werden in diesem Abschnitt besprochen.
4.1. Immunologische Effekte
4.1.1. Intravense Verabreichung
Schon sehr frhe Studien in den 1950er Jahren ergaben,
dass PEG dazu neigt, die Blutgerinnung zu beeinflussen und
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Zellverklumpung hervorzurufen, was zur Embolie fhren
kann.[42] Diese Befunde deuten bereits auf mgliche unspezifische Wechselwirkungen von PEG mit Blutbestandteilen
hin. Seitdem wurde in weiteren Arbeiten belegt, dass PEG,
das vermeintlich keine Opsonierung hervorruft, dennoch
spezifisch und unspezifisch vom Immunsystem erkannt
werden kann. Dadurch kann eine Immunantwort hervorgerufen werden, die auch durch i.v. injizierte PEGylierte Konjugate und Trgersysteme ausgelst werden kann.
Die unerwnschten Wirkungen einer PEG-Verabreichung werden oft durch die Komplementaktivierung ausgelst, der Hypersensitivittsreaktionen (HSR) folgen, die bis
zum anaphylaktischen Schock fhren knnen.[55, 56] Das
Komplementsystem, ein Teil des Immunsystems, besteht aus
einer komplexen biochemischen Kaskadenreaktion, die
durch die Hydrolyse eines C3 genannten Blutproteins ausgelst wird. Dessen Abbau kann durch Konformationsnderungen eingeleitet werden, wie sie z. B. bei Adsorption auf
einer Oberflche eintreten knnen, und fhrt zu einer biochemischen Kaskade, die die Bildung von verschiedenen C3und C5-Fragmenten nach sich zieht. Diese Bruchstcke
binden an den erkannten Fremdkrper und markieren ihn
damit fr Leukozyten, Mastzellen und Makrophagen, die
Rezeptoren fr diese Komplementfaktoren tragen und auf
diese Weise aktiviert werden, um die Fremdkrper durch
Phagozytose zu entfernen. Gleichzeitig werden Entzndungsmediatoren, z. B. Histamin und proinflammatorische
Zytokine, freigesetzt.[57] Die Ausschttung von Histamin fhrt
jedoch nicht zwingend zu einer Hypersensititvittsreaktion;
zustzlich ist eine spezielle Empfindlichkeit fr einen der
vorangegangenen Schritte ntig.[56, 58] In lteren Arbeiten
wurde spekuliert, dass die an der Oberflche zugnglichen
PEG-Hydroxygruppen Angriffsmglichkeiten fr C3b-Fragmente, die als Opsonine wirken, bieten knnten.[59] Da jedoch
in der berwiegenden Mehrzahl der PEGylierten Produkte
mPEG zum Einsatz kommt, konnte diese These nicht besttigt werden.
Bei 5–10 % der mit PEGylierten liposomalen Formulierungen behandelten Patienten wurde eine unmittelbare HSR
festgestellt, jedoch konnte der genaue Auslser fr dieses
Phnomen noch nicht identifiziert werden.[60] Komplementaktivierung mit nachfolgender HSR wurde fr 99mTc-markierte 2-kDa-mPEG-Liposomen zur Behandlung von Morbus
Crohn beobachtet.[61] Ebenso verursacht Doxil/Caelyx, das
Distearoylphosphatidylethanolamin(DSPE)-2-kDa-mPEGLiposomen zur Formulierung von Doxorubicin enthlt und in
der Krebstherapie eingesetzt wird (Tabelle 1), HSR in bis zu
25 % der Patienten trotz Vorbehandlung mit Corticosteroiden
und Antihistaminika und ohne vorangegangene Sensibilisierung.[55, 58]
Aus diesen Beobachtungen kann jedoch nicht der Schluss
gezogen werden, dass die Nebenreaktionen nur durch PEG
verursacht werden: Tatschlich lsen zwar PEG-Liposomen
auch ohne eingeschlossene Wirkstoffe wie Doxorubicin abhngig von ihrer Grße und Zusammensetzung die Komplementaktivierung aus – allerdings sind Doxorubicin-beladene
Liposomen in Doxil ein viel effizienterer Komplementaktivator als Wirkstoff-freie PEGylierte Liposomen (Tabelle 2).[60]
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Angew. Chem. 2010, 122, 6430 – 6452
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Wirkstoff-Transport
Chemie
spezifische
Reaktionen
durch
Binden von Antikrpern. 2005 erschien eine Fallstudie ber schwere,
liposomale Formulierung
Lipiddosis
Hufigkeit der
Schwere der Nebenwirkungen
[mmol kg 1]
Nebenwirkungen
IgE-Antikrper-induzierte Hypermild
schwerwiegend
tdlich sentitivittsreaktionen bei Verwendung von 4-kDa-PEG.[66] Die BilDPPC, PEG-DSPE, Chol
0.17–1.39
4/6
1
1
2
dung von Antikrpern als Reaktion
DPPC, PEG-DSPE, Chol
0.16–1.97
2/4
0
1
1
DPPC, Chol (90 nm)
0.16–1.85
5/11
3
2
0
auf die Verabreichung eines PEGDPPC, Chol (60 nm)
0.16–1.54
0/8
0
0
0
Konjugates in Kaninchen war beDoxil/Caelyx
0.02-0.27
12/14
3
8
1
reits 1983 von Richter et al. beDaunoXome
0.18–0.73
7/8
2
1
4
schrieben worden: Die Immunant[a] DPPC = Dipalmitoylphosphatidylcholin, PEG-DSPE = 2-kDa-mPEG-konjugiertes Distearoylphospha- wort auf PEG selbst war nicht sehr
tidylethanolamin, Chol = Cholesterol.
ausgeprgt, aber fr Konjugate des
Ovalbumins mit sechs Ketten von
11-kDa-mPEG konnten sowohl
anti-PEG- als auch anti-Ovalbumin-Antikrper nachgewieUntersuchungen der Hypersensitivitt als Nebenreaktion
sen werden. Das Ausmaß der Antikrperbildung war starken
der Verabreichung von PEG-stabilisierten Liposomen lieferSchwankungen unterworfen – es hing unter anderem vom
ten widersprchliche Ergebnisse, die auf einen komplexen
Grad der PEG-Substitution des Proteins und der Art der
Zusammenhang zwischen PEGylierungsgrad, Grße, BelaVersuchstiere ab (zwischen 17 und 50 % der Tiere zeigten
dung und Formulierung sowie verschiedenen anderen Paraeine Antikrperreaktion) – immerhin aber konnte in dieser
metern schließen lassen.[60] Beispielsweise zeigten kleine
Studie erstmals nachgewiesen werden, dass PEG als Hapten
PEG-Liposomen mit Durchmessern < 70 nm keine Komplewirken kann.[67] Spter berichteten dieselben Autoren, dass
mentaktivierung, im Unterschied zu grßeren Partikeln.[60]
auch die subkutane Injektion eines mPEG-modifizierten
Zustzlich beobachteten Parr et al., dass der phamakokineTraubenkrautallergens im menschlichen Krper die Bildung
tische Effekt von PEG nicht immer auftritt: Beim Vergleich
von IgM-Antikrpern gegen PEG auslst. Die humorale
von PEGylierten Doxorubicin-Liposomen mit unbehandelAntwort war jedoch nur schwach und wurde als nicht relevant
ten Liposomen fanden sie nur sehr geringe Unterschiede in
fr die klinische Anwendung eingeschtzt.[68]
der Plasma-Clearance-Rate.[62] Metselaar et al. konnten hnliche oder sogar lngere Zirkulationshalbwertszeiten bei LiEs konnte allerdings gezeigt werden, dass ber 25 % der
posomen ohne PEG-Stabilisierung als bei den PEGylierten
gesunden Spender IgG- und IgM-Antikrper gegen PEG im
Liposomen beobachten (36 bzw. 22 h).[60]
Blut tragen. Dies knnte erklren, warum bei 5 von 13 Patienten in klinischen Studien die Bildung von anti-PEG-AntiInsgesamt lassen die verschiedenen Studien auf eine Bekrpern nach der Gabe von PEG-Asparaginase beobachtet
teiligung von PEG an der Komplementaktivierung durch
wurde.[69] Das Vorkommen von anti-PEG-Antikrpern korsterisch stabilisierte Liposomen schließen, es sind jedoch
noch weitere Untersuchungen ntig, um den zugrundliegenrelierte mit der schnellen Elimination des PEG-Konjugates
den Mechanismus aufzuklren und ein eindeutiges Fazit
aus dem Blut, ein Effekt, der ebenso fr PEG-Uricase in 5
ziehen zu knnen.
von 8 Fllen beobachtet wurde.[70]
Unerwnschte Wirkungen, die auf i.v. verabreichtes PEG
Insgesamt lsst sich schlussfolgern, dass die PEGylierung
zurckzufhren sind, traten auch bei der Anwendung von
von i.v. verabreichten Trgersystemen auch weiterhin eine
verschiedenen Kontrastmitteln fr die Echokardiografie auf.
entscheidende Rolle in der medizinischen Anwendung – zur
Anaphylaxie als Folge von PEG-Hypersensitivitt wurde bei
Verringerung von Immunogenitt, Antigenitt, Toxizitt und
der Verabreichung von SonoVue, einem PEG-haltigen KonNierenausscheidung – spielen wird. Man darf jedoch nicht aus
trastmittel, diagnostiziert, nicht aber bei der von Optison und
den Augen verlieren, dass PEG als Hapten wirken kann und
Definity (kommerziellen PEG-freien Kontrastmitteln).[63] De
damit antigene und immunogene Eigenschaften aufweist. Das
Zusammenspiel von Komplementaktivierung und AntikrGroot et al. berichteten von insgesamt drei Fllen von anaperreaktion sollte dabei immer bercksichtigt werden. Fr
phylaktischem Schock als Reaktion auf die Gabe von Sonoeine vollstndige Klrung des Einflusses von anti-PEG-AnVue.[64] Dijkmans et al. rumten ein, dass SonoVue einen Intikrpern auf die Pharmakokinetik und Vertrglichkeit von
haltsstoff aufweisen knnte, der fr drei Todesflle (0.002 %
PEG-Konjugaten sind noch weitere Untersuchungen erforder behandelten Patienten mit koronaren Herzerkrankungen
derlich.
als Vorbelastung) und fr 18 von 19 unerwnschten anaphylaktischen und vasovagalen Wirkungen (0.012 %) verant4.1.2. Orale Verabreichung
wortlich ist. Bei Verwendung des Kontrastmittels Optison
wurden keine derartigen Reaktionen beobachtet.[65]
Die HSR wird nicht nur als Antwort auf i.v. appliziertes
Noch kann kein abschließendes Urteil darber gefllt
PEG beobachtet, sondern auch bei oraler Gabe z. B. von
werden, ob PEG selbst oder eine Kombination aus verschieAbfhrprparaten zur Vorbereitung auf eine Koloskopie. Im
denen Faktoren die Hypersensitivitt hervorruft; hier sind
Allgemeinen geht man davon aus, dass mit steigender Molnoch weitere Untersuchungen erforderlich. Die diskutierten
masse des PEG die gastrointestinale Resorption sinkt, sodass
Befunde sprechen zwar fr eine unspezifische Wechselwirdas Abfhrmittel nur im Darm wirkt. Diese Annahme wird
kung mit dem Immunsystem, es gibt aber auch Hinweise auf
Tabelle 2: Schwere der Nebenwirkungen, die von verschiedenen PEGylierten und nicht-PEGylierten
liposomalen Transportsystemen im Schweinemodell hervorgerufen wurden.[a] Adaptiert nach Lit. [60].
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durch Untersuchungen besttigt, die zeigen, dass PEGs mit 4–
6 kDa nach oraler Gabe ber 5 h nicht absorbiert werden.
PEGs mit kleinerer Molmasse um 1 kDa knnen jedoch bis
zu 2 % resorbiert werden.[42]
Damit lassen sich die Befunde bei der Anwendung von
MoviPrep, einer kommerziell erhltlichen Lsung von 3.35kDa-PEG, erklren. Offenbar reicht die geringe Resorption
von 0.2 % durch die Darmschleimhaut, um bei empfindlichen
Patienten Angiodeme und Urtikaria als Ergebnis einer HSR
auszulsen.[71] hnliche Befunde, z. B. anaphylaktische Reaktionen, wurden in drei Fallstudien zur Anwendung von
GoLYTELY (ebenfalls mit 3.35-kDa-PEG-Lsung fr die
Darmreinigung eingesetzt) erhalten.[72–74]
4.1.3. Dermale Verabreichung
Verschiedenen Berichten zufolge kann auch die kutane
Anwendung von PEG allergische Reaktionen wie Kontaktdermatitis auslsen. Diese Entzndungserkrankung kann
durch PEG mit verschiedenen Molmassen zwischen 4 und
20 kDa, wie es z. B. in Zahnpasta zur Anwendung kommt,
verursacht werden.[75] Eine weitere Studie berichtet ber eine
HSR auf 8-kDa- und 20-kDa-PEG, das in Multivitamintabletten verwendet wird, die bei einem 36jhrigen Patienten
ohne weitere Vorbelastung bis zur Ohnmacht fhrte.[76]
Kontaktdermatiden wurden auch von Fisher bei vier Patienten beobachtet, denen Medikamente verabreicht wurden,
die als Hilfsstoff PEG mit Molmassen von 200 bis 400 Da
enthielten.[77] Bei 19 von 21 Patienten diagnostizierten
Quartier et al. Kontaktdermatiden als Reaktion auf das als
Feuchthaltemittel verwendete 1-kDa-PEG-DodecylglycolBlockcopolymer.[78] Sowohl Quartier et al. als auch Le Coz
und Heid vermuten 1,4-Dioxan, ein Nebenprodukt der PEGSynthese, als mglichen Verursacher der Kontaktdermatiden.[54, 78]
4.2. nderungen des pharmakokinetischen Verhaltens
Eine weitere mgliche Immunreaktion nach PEG-Gabe
ist das Phnomen der beschleunigten Blut-Clearance (Accelerated Blood Clearance, ABC). Dieses Phnomen wurde
erstmals von Dams et al. beschrieben. Sie beobachteten das
drastische Absinken der Plasmakonzentration von 2-kDamPEG-Liposomen im Vergleich zu einer 4 h vorher injizierten Liposomendosis [von (52.6 3.7) auf (0.6 0.1) % nach
der zweiten Injektion].[79] Kiwada et al. beobachteten das
ABC-Phnomen auch dann, wenn die zweite Dosis nach fnf
Tagen verabreicht wurde. Die Befunde lassen den Schluss zu,
dass die erste Injektion von PEG-Liposomen die Zirkulationshalbwertszeit der zweiten beeinflusst.[80] Das ABC-Phnomen konnte auch bei der wiederholten Gabe von PEGMicellen mit einer Mindestgrße von 30 nm ausgelst
werden.[81] Sowohl PEG als auch die Partikelgrße scheinen
eine entscheidende Rolle zu spielen. Andererseits wurde
jedoch auch fr sehr hohe Konzentrationen nicht PEGylierter
Liposomen (5 mmol Phosopholipid pro kg Ratte) eine beschleunigte Elimination aus dem Blut beobachtet.[82] Der
Auslser fr dieses Phnomen scheint daher nicht allein bei
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PEG zu suchen zu sein; fr die Erklrung dieser Problematik
mssen auch die Grße und Oberflchenbeschaffenheit der
Transportsysteme in Betracht gezogen werden.[83]
Zustzlich beeinflusst die Menge des zur Formulierung
der Liposomen eingesetzten Lipids das Ausmaß des ABCPhnomens. Dieser Effekt wurde fr Liposomen mit 0, 5, 10
und 15 Mol-% PEGyliertem Lipid untersucht. In Tierversuchen mit Kaninchen konnte gezeigt werden, dass Liposomen,
die 5 Mol-% PEGyliertes Lipid enthalten, den grßten Effekt
verursachen und dass bei steigender PEGylierung die unerwnschten Effekte geringer werden. Diese Beobachtung
korreliert mit der Produktion von anti-PEG- und anti-Ovalbumin-Antikrpern in Gegenwart eines Ovalbuminkonjugats
mit 6 Moleklen 11-kDa-PEG. Fr ein Konjugat aus Ovalbumin mit 20 Moleklen 11-kDa-PEG wurde dagegen keiner
der beiden Antikrper nachgewiesen.[67]
Die ABC beeinflusst jedoch nicht nur die Bioverfgbarkeit des Wirkstoffs – sie scheint auch die Effizienz des passiven Targetings zu verringern, da die zweite Dosis bevorzugt
in den Kupffer-Zellen der Leber wiedergefunden wird.[79, 80, 84]
Diese Befunde belegen eine Beteiligung des Immunsystems
an diesem Phnomen. Darber hinaus besteht fr hochtoxische Krebstherapeutika die Gefahr, schwere Leberschden
zu verursachen.
Der Mechanismus der ABC konnte bisher nicht vollstndig aufgeklrt werden, man nimmt aber an, dass whrend
einer ersten Injektion anti-PEG-IgM-Antikrper in der Milz
gebildet werden, die whrend der zweiten Gabe das Komplementsystem aktivieren. Dadurch kommt es zu einer
Opsonierung der PEG-Partikel mit C3-Fragmenten, was die
Aufnahme in die Kupffer-Zellen bewirkt.[83, 85] Da jedoch auch
nicht-PEGylierte Liposomen dieses Phnomen auslsen
knnen, scheint ein komplexerer Mechanismus zugrunde zu
liegen. Dessen ungeachtet ist diese unerwartete Vernderung
des pharmakokinetischen Verhaltens nachteilig fr den
therapeutischen Nutzen von PEGylierten Liposomen und
Micellen.
Auch sehr geringe Dosen PEGylierter Liposomen (ca.
0.5 mmol kg 1) knnen die Eigenschaft der verlngerten Zirkulationszeit im Blut verlieren.[82] Diese Beobachtung wurde
mit Konzentrationen gemacht, die viel kleiner sind als diejenigen, die fr therapeutische Zwecke zur Anwendung
kommen (4–400 mmol Lipid kg 1). Diese Beobachtung ist
wichtig in der Nuklearmedizin, wo nur Spuren der Tracersubstanzen eingesetzt werden.[86] Die Frage nach dem Mechanismus und ob dieser mit dem ABC-Phnomen verbunden ist, bleibt jedoch bisher unbeantwortet.
4.3. Biologische Abbaubarkeit von PEG
Ein großer Nachteil von PEG besteht darin, dass es vom
menschlichen Krper nicht abgebaut werden kann. Deshalb
wre es von Vorteil, PEG mit mglichst kleiner Molmasse zu
verwenden. Oligomere mit einer Molmasse < 400 Da sind
jedoch in vivo toxikologisch bedenklich, da eine sequenzielle
Oxidation in die Disure und Hydroxysuremetabolite durch
Alkohol- und Aldehyd-Dehydrogenasen stattfindet. Die
oxidative Degradation verringert sich jedoch mit steigender
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Wirkstoff-Transport
Chemie
Molmasse drastisch, weshalb bevorzugt PEGs mit einer
Molmasse deutlich ber 400 Da verwendet werden sollten.[87, 88]
Andererseits sollte die Molmasse des Polymers nicht die
Nierenschwelle berschreiten. Dieser Grenzwert wird fr
nicht biologisch abbaubare Polymere mit 20–60 kDa angegeben, was der Albuminausschlussgrenze oder einem Radius
von ca. 3.5 nm entspricht.[1, 27, 38, 89–91] Pasut et al. nehmen an,
dass eine Molmasse unter 40–60 kDa erforderlich ist, um die
Anreicherung in der Leber zu verhindern.[1] Dennoch ist es
offenbar schwierig, eine exakte Nierenschwelle fr PEG zu
bestimmen, wie die ungenauen Angaben zur Molmasse von
PEG zeigen.[38] PEG mit einer Molmasse < 20 kDa scheint
leicht ber die Niere in den Urin ausgeschieden werden zu
knnen, whrend PEG mit einer grßeren Molmasse langsamer aus dem Krper eliminiert wird und die Ausscheidung
ber die Leber berwiegt.[1] Um diese Problematik zu umgehen, werden zunehmend verzweigte und mehrarmige PEGs
mit biologisch abbaubaren Bindungen verwendet, die nach
Spaltung im Krper niedermolekulare Abbauprodukte
bilden, die leichter ausgeschieden werden knnen.
Studien zur Toxizitt und Elimination von PEG reichen
meist zurck in die 1950er und 1970er Jahre und bedrfen
einer Aktualisierung.[92–94] Besonders ber das Schicksal von
PEG und PEGylierten Wirkstoff-Transportsystemen auf zellulrer Ebene gibt es nur wenige Kenntnisse; hier sind noch
genauere Untersuchungen erforderlich. Im Allgemeinen wird
angenommen, dass PEG und PEGylierte Transportsysteme
ein hnliches Verhalten aufweisen, obwohl PEGylierte Systeme chemisch verndertes PEG sind. Insbesondere fehlen
stichhaltige Angaben zum Verbleib der Polymere nach der
Desintegration der Trgersysteme.[91, 95]
Tatschlich gibt es keine systematischen Langzeitstudien,
die zeigen, 1) ob PEG vollstndig ausgeschieden wird oder
teilweise im Krper verbleibt, 2) wo es angereichert wird und
3) welche Wirkung es am Ort der Anreicherung zeigt.[96]
4.4. Degradation unter Belastung
Es ist einleuchtend, dass bei Wirkstoff-Transportanwendungen die Stabilitt des Polymers ein wichtiger Faktor ist,
um die therapeutischen Eigenschaften des Wirkstoffes whrend der Lagerungszeit und der Behandlung zu gewhrleisten.[97] Instabilitten knnen bei Polymeren aus chemischen
Vernderungen resultieren, die durch Sauerstoff oder Wasser
sowie Energie in Form von Wrme, Strahlung oder mechanischen Krften verursacht werden knnen.[97] Der Einfluss
dieser Faktoren auf die PEG-Stabilitt soll im Folgenden
diskutiert werden.
Eine mechanische Belastung und daraus resultierende
Abbaureaktionen knnen unter anderem durch das Auftreten von Scherspannung whrend verschiedener Prozesse
hervorgerufen werden, z. B. beim Fließen von Flssigkeiten,
beim Rhren oder bei der Ultraschallbehandlung. Zustzlich
zu Scherspannungen, die whrend des Produktionsprozesses
oder bei der Injektion mit einer Spritze vorkommen knnen,
spielen auch Scherspannungen in biologischen Systemen eine
Rolle. Im menschlichen Krper finden signifikante Flsse
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wssriger Medien mit Scherspannungen von bis zu 5 Pa statt.
Das Verhalten der Polymere wurde unter diesen Gesichtspunkten jedoch kaum bercksichtigt.[98] Die Untersuchung
der zur Degradation fhrenden Prozesse, der Ereignisse
whrend des Abbaus sowie der Spaltprodukte ist jedoch unabdingbar in der Entwicklung eines Polymers zur medizinischen Anwendung.
Belastungstests wurden bisher lediglich mit PEG-Proben
von industrieller Qualitt durchgefhrt, deren Molmassen mit
50–4000 kDa weit ber denen liegen, die im Allgemeinen fr
Wirkstoff-Transportsysteme Anwendung finden. Gleichermaßen wurden die Untersuchungen mit Scherspannungen bis
zu 9 kPa durchgefhrt, welche die in vivo herrschenden
Krfte bei Weitem bersteigen. In vivo knnen Scherspannungen um 1 Pa, mit Maximalwerten um 5 Pa in den Arteriolen, gefunden werden.[99–104] Obwohl diese Untersuchungen
nicht mit Polymeren und unter Bedingungen durchgefhrt
wurden, die biologisch relevant sind, lsst sich nicht ausschließen, dass ein partieller Abbau whrend der Anwendung
PEGylierter Therapeutika stattfinden kann. Allgemeine Erkenntnisse, z. B. ber die spezielle Empfindlichkeit von
Ethern gegenber Sauerstoff sowie die postulierte Beteiligung von Sauerstoff an der Degradation unter mechanischer
Belastung, sollten bercksichtigt werden, denn sie knnen
erklren, warum PEG weniger stabil ist als Polymere mit
Kohlenstoffrckgrat, wie Poly(acrylsure) (PAA) oder Poly(vinylpyrrolidon) (PVP).[103]
Auch unter Hitzeeinfluss wurde sowohl im festen als auch
im gelsten Zustand eine erhebliche Degradation von PEG
festgestellt.[105] Scheirs et al. bobachteten eine Abnahme der
Molmasse von festem PEG von 100 auf 10 kDa durch Alterung bei 60 8C an der Luft. Whrend des 30-tgigen Abbauexperiments wurde IR-spektroskopisch die Bildung von erheblichen Mengen an Aldehyd-, Carboxylat- und Alkoholfunktionen festgestellt.[106]
Das Erhitzen von PEG-Proben mit unterschiedlicher
Molmasse (1–4000 kDa) unter nichtoxidierenden Bedingungen bei 50 8C fhrte ebenfalls zum Bruch von Polymerketten.
Aus dieser Beobachtung wurde geschlossen, dass die Degradation an zuvor entstandenen Schwachstellen in der Polymerkette, wie sie durch Peroxide hervorgerufen werden
knnen, auftritt.[107, 108] Diese Annahmen sind in Einklang mit
Befunden, denen zufolge der Zusatz von Antioxidantien oder
Radikalinhibitoren die Degradation unter inerten Bedingungen nicht verhindern kann.[108] Obwohl die hier diskutierten Bedingungen nicht den biologischen entprechen,
sollten diese Befunde fr die Herstellung von Transportsystemen im Auge behalten werden.
Da PEG nicht ber 300 nm absorbiert, sollte die Photodegradation kein Diskussiongegenstand sein. Dennoch ist
PEG ausgesprochen empfindlich gegen Photooxidation.
Dieser Umstand kann durch die Oxidierbarkeit des a-Kohlenstoffatoms durch Chromophor-tragende Verunreinigungen erklrt werden.[107] Untersuchungen dazu, die an PEGs
mit Molmassen zwischen 55 und 390 kDa durchgefhrt
wurden, resultierten in der Bildung von Ester- und Formiatendgruppen. Die UV-Degradation luft viel schneller ab als
bei anderen hydrophilen Polymeren wie PAA und PVP.[103]
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Obwohl in keiner der genannten Studien zur mechanischen Stabilitt das PEG in pharmazeutischer Qualitt verwendet wurde und die gewhlten Bedingungen nicht den Invivo-Bedingungen entsprachen, lassen die Befunde den
Schluss zu, dass PEG wegen seiner Etherstruktur und der
Bildung von Peroxiden deutlich empfindlicher gegen Degradation ist als vinylische Polymere.
4.5. Toxizitt der Nebenprodukte der PEG-Synthese
Das hufigste Nebenprodukt der PEG-Synthese ist das
cyclische Dimer von Ethylenoxid, 1,4-Dioxan, das nach der
Synthese im Vakuum vom Produkt abgetrennt wird. Da 1,4Dioxan von der International Agency for Research on Cancer
(IARC) in die Gruppe 2b eingeordnet wird (d. h. mglicherweise karzinogen im Menschen, mit gengend Hinweisen aus
Tierexperimenten), beschrnkt die aktuelle europische
Pharmakope (Ph.Eur.) den 1,4-Dioxangehalt auf 10 ppm in
PEG fr pharmazeutische Anwendungen. Eine Einschtzung
durch das US-amerikanische Department for Health and
Human Services kommt jedoch zu dem Ergebnis, dass Ratten,
die zwei Jahre lang 111 ppm 1,4-Dioxan in der Luft ausgesetzt
waren, keine Anzeichen von dioxanverursachtem Krebs oder
andere gesundheitliche Beeintrchtigungen aufwiesen.
Zustzlich kann PEG das nicht umgesetzte Monomer
Ethylenoxid sowie Formaldehyd enthalten, die beide von der
IARC in Gruppe 1 (karzinogen im Menschen) eingestuft
wurden. Diese Klassifizierung fhrte zu einer Beschrnkung
des Ethylenoxidgehaltes durch die aktuelle Ph.Eur. auf 1 ppm
und die maximal zulssige Formaldehydmenge auf 30 ppm fr
PEG mit pharmazeutischem Reinheitsgrad.
Die Giftigkeit dieser Nebenprodukte unterstreicht die
Notwendigkeit der Verwendung von PEG mit pharmazeutischem Reinheitsgrad fr biomedizinische Anwendungen.
5. PEG: Zusammenfassung
Ein Blick in die Literatur zeigt, dass PEG ein ausgesprochen populres Polymer ist, besonders in der Biomedizin.
Dank seiner zahlreichen positiven Eigenschaften fand es
breite Verwendung in Produkten des tglichen Bedarfs, in
industriellen Anwendungen sowie in unzhligen WirkstoffTransportsystemen. Der Erfolg von PEG im letztgenannten
Anwendungsgebiet spiegelt sich in der Zahl der pharmazeutischen Produkte wider, die in den letzten 20 Jahren die Zulassung von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) und der Europischen Arzneimittelagentur
(EMA) erhielten (Tabelle 1).
In Verffentlichungen zur Nutzung von PEG in Wirkstoff-Transportsystemen trifft man oft auf einen berwltigenden Enthusiasmus bezglich PEG. Eventuelle Nachteile
werden jedoch kaum erwhnt, sodass mgliche Schwierigkeiten bei der Anwendung im Dunkeln bleiben. Und obwohl
mgliche negative Wirkungen von PEG den Hauptteil dieser
Arbeit einnehmen, ist es nicht unsere Absicht, den Eindruck
zu erwecken, dass PEG in Wirkstoff-Transportanwendungen
vermieden werden sollte. Wir sind im Gegenteil davon
6440
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berzeugt, dass PEG auch in Zukunft von Bedeutung fr die
Verbesserung der Lebensqualitt durch die Entwicklung von
neuen Wirkstoff freisetzenden Transportsystemen ist. Die
meisten unerwnschten Wirkungen und Instabilitten treten
nur bei einer kleinen Prozentzahl von Patienten auf und sind
nicht in dem Maße untersucht und dokumentiert wie die
positiven Eigenschaften von PEG. Wir mchten mit diesem
Aufsatz die Aufmerksamkeit darauf lenken, dass die Anwendbarkeit von PEG auch ihre Grenzen hat, als Ergnzung
zu den zahlreichen Literaturbersichten, die sich nur mit
seinen vorteilhaften Eigenschaften beschftigen.
Einer der Nachteile von PEG ist, dass es nicht biologisch
abbaubar ist. Auch bleibt in den meisten Beitrgen unerwhnt, wo PEG nach der In-vivo-Applikation verbleibt. Die
meisten biologischen und toxikologischen Daten, die diese
Aspekte beleuchten, stammen aus den 1950er und 1970er
Jahren und bentigen neue Untersuchungen mit zeitgemßem Wissen und modernen Techniken, besonders in Bezug
auf den Verbleib von PEG auf molekularer und zellulrer
Ebene sowie hinsichtlich beobachteter Effekte wie der Gewebevakuolisierung und Membranfusion durch PEG.
Gleichzeitig bietet die Polyetherstruktur ein leichtes Ziel fr
den Sauerstoffangriff mit anschließendem Peroxidabbau.
Untersuchungen zur Degradation wurden zwar nicht unter
biologischen Bedingungen durchgefhrt, fest steht aber, dass
PEG leichter abbaubar ist als Polymere mit Kohlenstoffrckgrat.
Aus medizinischer Sicht ist die unvorhersehbare Komplementaktivierung kritisch, da diese der Hypersensitivitt
und mglicherweise auch dem ABC-Phnomen zugrunde
liegt. PEG alleine scheint jedoch immunologisch unbedenklich zu sein. Die Reaktion mit dem Immunsystem hngt anscheinend von dem Molekl, an das PEG gekuppelt ist, und
der Zahl der PEG-Ketten ab.
Dennoch berwiegen die Vorteile bei Weitem die gelegentlich beobachteten negativen Effekte. Als Konsequenz
hlt PEG zu Recht seine Stellung als Goldstandard und
meistverwendetes Polymer in der Biomedizin. Mgliche alternative Polymere, die sowohl die positiven Eigenschaften
von PEG aufweisen als auch dessen negative Effekte ausbalancieren, sind schwierig zu finden. Die Suche nach ihnen
wird jedoch durch die angespannte Patent- und Vermarktungssituation von PEG verstrkt, da eine Vielzahl von PEGAnwendungen und -Transportsystemen durch Patente geschtzt sind.
6. Potenzielle Alternativen fr PEG
Die Nachteile von PEG fhren zu einer intensiven Suche
nach alternativen Polymeren fr therapeutische Anwendungen. Abschnitt 6 wird sich mit den vielversprechendsten hydrophilen Polymeren beschftigen, die als synthetische Alternativen zu PEG untersucht wurden. Ihre Eigenschaften
und Anwendungspotenziale in verschiedenen biomedizinischen Bereichen werden diskutiert und denjenigen von PEG
gegenbergestellt.
Eine große Auswahl natrlicher Polymere, wie Heparin,[109] Dextran[110, 111] und Chitosan,[112] findet ebenfalls An-
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Wirkstoff-Transport
Chemie
wendung in vielen Wirkstoff-Transportsystemen. Hier sollen
jedoch nur synthetische Polymere, wie PEG selbst eines ist,
diskutiert werden, um den Rahmen dieses Aufsatzes nicht zu
sprengen.
6.1. Biologisch abbaubare Polymere
6.1.1. Poly(aminosuren)
Verschiedene Poly(aminosuren) werden derzeit als Alternativen zu PEG untersucht und befinden sich in sehr unterschiedlichen Entwicklungsstadien. Poly(glutaminsure)
(PGA), die erstmals von Li et al. untersucht wurde, wird
unter anderem in einem 40-kDa-PGA-Paclitaxel-Konjugat
verwendet (37 Gew.-%), das schon die Phase III klinischer
Studien erreicht hat (Tabelle 3).[113] Poly(hydroxyethyl-l-asparagin) (PHEA) und Poly(hydroxyethyl-l-glutamin)
(PHEG) wurden besonders von Romberg et al. in verschiedenen Studien zur Anwendung im Wirkstoff-Transport getestet (Schema 1).[96]
Eine der Strken von PGA, PHEA und PHEG ist ihre
Bioabbaubarkeit. In vivo knnen sie zu Aminosuren metabolisiert werden, was bereits in vitro mit verschiedenen Enzymen nachgewiesen wurde. Dabei wurde gezeigt, dass die
Poly(aminosuren) sowohl in Oligomere mit vier bis neun
Wiederholungseinheiten als auch in ihre Monomere zerlegt
werden.[96, 114] Zu den Strken dieser Polymere zhlt außer
ihrer Abbaubarkeit auch die verlngerte Blutzirkulationszeit
von Partikeln mit Poly(aminosure)-modifizierten Oberflchen. Diese Verlngerung wurde in einer Studie an Liposomen untersucht, die jeweils mit 5-kDa-PEG, 4-kDa-PHEG
und 3-kDa-PHEA stabilisiert waren. Es wurden hnliche
Schema 1. Strukturen von Poly(hydroxyethyl-l-asparagin) (PHEA), Poly(hydroxyethyl-l-glutamin) (PHEG) und Poly(glutaminsure) (PGA).
Eliminationsgeschwindigkeiten fr die Poly(aminosure)-Liposomen wie fr die PEG-Liposomen gemessen. Zustzlich
konnte fr Poly(aminosure)-Liposomen bei Injektion von
kleinen Dosen in Ratten eine Abnahme des ABC-Phnomens beobachtet werden (Abbildung 3).[96, 115–117]
Allerdings zeigten PHEG und PHEA erhhte SC5b-9Werte (SC5b-9 = Komplementfaktor, der bei der Hydrolyse
von C3 auftritt) in ELISA-Assays, was auf eine Aktivierung
des Komplementsystems schließen lsst.[96] Zustzlich erschwert die Antigenitt von Polymeren mit mehr als drei
Aminosuren in der Kette die In-vivo-Anwendung.[118]
Dessen ungeachtet wurden beide Polymere zur Herstellung
von verschiedenen Wirkstoff-Transportsystemen verwendet,
z. B. einem 100-kDa-PHEG-Mitomycin-Konjugat (5.4 Gew.% Mitomycin),[119] Histidin-konjugiertem PHEA als amphiphilem, micellbildendem Agens fr Doxorubicin[120] oder in
Kombination mit Hyaluronsure in Hydrogelen zur Verabreichung von Thrombin.[121]
Im Unterschied zu PHEA und PHEG wurde PGA von
den Behrden als Verdickungsmittel fr Nahrungsmittel und
Tabelle 3: bersicht zu Wirkstoff-Transportsystemen, die alternative Stealth-Polymere zu PEG enthalten, und deren Status in prklinischen Studien.[a], [3, 196, 218, 219]
Wirkstoff
Hersteller
Indikation
Status
36-kDa-PG-Paclitaxel (21 Gew.-%)
(CT 2103, Opaxio)
Cell Therapeutics Inc.
NSCLC, Ovarial-, Kolorektal-, Mammaund sophaguskarzinoma
Phase III
33-kDa-PG-Camptothecin (37 Gew.-%)
(CT 2106)
Cell Therapeutics Inc.
Kolorektal-, Lungen- und
Ovarialkarzinoma
Phase I/II
28-kDa-PHPMA-Doxorubicin (8.5 Gew.-%)
(PK1, FCE 28068)
Pfizer, Cancer Research
Campaign
NSCLC und
Mammakarzinoma
Phase III
25-kDa-PHPMA-Platinat (8.5 Gew.-%)
(AP 5280)
Access Pharmaceuticals
Ovarialkarzinoma
Phase II
25-kDa-PHPMA-Doxorubicin (7.5 Gew.-%)-Galactosamin
(PK2, FCE 28069)
Pfizer, Cancer Research
Campaign
Leberzellkarzinoma
Phase I/II
25-kDa-PHPMA-DACH-Platinat (8.5 Gew.-%)
(AP 5346)
Access Pharmaceuticals
Ovarial- und Kolorektalkarzinoma, Melanoma
Phase I/II
18-kDa-PHPMA-Camptothecin (10 Gew.-%)
(PNU 166148)
Pfizer, Cancer Research
Campaign
refraktre solide Tumoren
Phase I,
abgebrochen
17-kDa-PHPMA-PGA (37 Gew.-%)-Paclitaxel (5 Gew.-%)
(PNU 166945)
Pfizer, Cancer Research
Campaign
refraktre solide Tumoren
Phase I,
abgebrochen
[a] NSCLC = nichtkleinzelliges Lungenkarzinom, DACH = 1,4-Cyclohexandiamin-Chelatligand.
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Abbildung 4. Antitumoraktivitt von PGA-Taxol in Ratten mit Mammakarzinom 13762F; PG = Poly(glycerol), TXL = Paclitaxel oder Taxol. Die
Injektion erfolgte i.v. in einer einzelnen Dosis mit der jeweils angegebenen Paclitaxelkonzentration. Die Daten zeigen den Mittelwert sowie
die Standardabweichung des Tumorvolumens. Wiedergabe mit Genehmigung aus Lit. [113]. Copyright 2008, Elsevier B.V.
Abbildung 3. Einfluss der Polymer-Lipid-Konzentration auf die Pharmakokinetik der ersten und zweiten Injektion von PHEA- und PEG-Liposomen. a) Zirkulationskinetik von PHEA-(DPPC/Cholesterol/PHEA-DODASuc)- und PEG-(DPPC/Cholesterol/PEG-DSPE)-Liposomen (% der injizierten Dosis gegen die Zeit). Die vollen Symbole zeigen die Ergebnisse nach der ersten Liposomeninjektion, die leeren Symbole die
nach der zweiten. b) Verhltnis der AUC0–48 h der zweiten Injektion zur
AUC0–48 h der ersten Injektion (AUC2./1.) fr die verschiedenen Lipiddosen [AUC0–48 h-Werte wurden aus (a) berechnet]. Volle Sulen: AUC2./1.
der PEG-Liposomen, gepunktete Sulen: AUC2./1. der PHEA-Liposomen; alle Ergebnisse sind als Mittelwert Standardabweichung
(n = 3–4) angegeben. *p < 0.05; n.s. = als nicht signifikant angegeben,
DODASuc = Succinyldioctadecylamin. Wiedergabe mit Genehmigung
aus Lit. [115]. Copyright 2007, Elsevier B.V.
Kosmetika zugelassen und wird weiterhin als Stickstoff freisetzendes Dngemittel eingesetzt.[122] Trotz der bekannten
Antigenitt von Poly(aminosuren) erreichte PGA-Paclitaxel
als erstes Polymer-Wirkstoff-Konjugat ohne PEG Phase III
der klinischen Prfung [unter dem Namen Opaxio, frher
Xyotax (CT-2103); Abbildung 4].[113] Es zeigte weniger Nebenwirkungen und eine verbesserte Effizienz als das unkonjugierte Paclitaxel in einigen Tumorarten. Seit 2005 konnte in
Studien eine verbesserte Vertrglichkeit, Anwendbarkeit und
Sicherheit festgestellt werden. Es wurden weniger Transfusionen von roten Blutzellen bentigt; weiterhin wurden we-
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niger hmatologische und gastrointestinale Nebenwirkungen
sowie das verringerte Auftreten von Haarausfall, Mdigkeit
und Gewichtsverlust beobachtet.[123] Hypersensitivitt, mit
milder bis moderater Ausprgung, wurde nur sehr selten beobachtet.[113] In keiner der Studien konnte allerdings das
Hauptziel eines lngeren berlebens der Patienten als bei
einer Therapie mit Gemcitabin oder Vinorelbin zur Behandlung von NSCLC mit Perfomance-Status 2 (PS 2, ist
nicht heilbar mit den aktuellen Therapiemethoden) erreicht
werden. Seit 2005 wurde in den Studien eine verbesserte
berlebenschance fr Frauen beobachtet, die jnger als
55 Jahre waren und daher wahrscheinlich die Menopause
noch nicht erreicht hatten. Dieser Effekt konnte auf eine erhhte Freisetzung von Paclitaxel in dieser Patientengruppe
zurckgefhrt werden.[124, 125] Aus diesem Grund wurde Cell
Therapeutics, das die Rechte an Xyotax hlt, ein beschleunigtes Zulassungsverfahren der FDA fr PGA-Paclitaxel mit
Indikation fr NSCLC bei Patienten mit PS-2-Status bewilligt. Den Antrag auf Zulassung von Xyotax fr den europischen Markt hat Cell Therapeutics jedoch zurckgezogen, da
die europische Zulassungsbehrde Zweifel an dem Studiendesign anmeldete.[126]
Zusammenfassend vereinen Poly(aminosuren) eine
Reihe vorteilhafter Eigenschaften fr die Anwendung im
Wirkstoff-Transportbereich, z. B. Verlngerung der Zirkulationszeit im Blut, vermindertes ABC-Phnomen und – besonders wichtig – biologische Abbaubarkeit. Der entscheidende Nachteil besteht in der Komplementaktivierung. Da
die auftretende Hypersensitivittsreaktion offenbar jedoch
nur moderat ist, kann sie in der klinischen Anwendung toleriert werden.
6.2. Biologisch nicht abbaubare Polymere
Da die vielversprechenden, biologisch abbaubaren Polymere eine Aktivierung des Immunsystems bewirken, werden
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auch nicht abbaubare Polymere als Alternative zu PEG in
Betracht gezogen (Schema 2).
Schema 2. Strukturen der diskutierten, biologisch nicht abbaubaren
alternativen Polymere.
6.2.1. Polymere mit Heteroatomen in der Hauptkette
6.2.1.1. Poly(glycerol)
Die große Strukturhnlichkeit von Poly(glycerol) (PG)
mit PEG legt die Verwendung dieses Polymers in biologischen Anwendungen nahe. In der Tat wird sowohl lineares als
auch hyperverzweigtes PG (HPG) mit Molmassen zwischen
150 Da und 540 kDa als hydrophile Hlle fr Konjugate, Liposomen, reverse Micellen und Hydrogele eingesetzt.[127–131]
Der Stealth-Effekt und die Biokompatibilitt dieses Polymers wurden bereits in verschiedenen Untersuchungen
nachgewiesen. Eine verlngerte Blutzirkulation gegenber
derjenigen unmodifizierter Liposomen konnte fr HPG-Liposomen mit Molmassen zwischen 150 und 750 Da demonstriert werden.[128] Die proteinabweisende Wirkung von
Oberflchen, die mit 1.5–5-kDa-HPG modifiziert wurden,
war hnlich der Wirkung von PEG derselben Molmasse oder
bertraf diese sogar, wahrscheinlich aufgrund einer dichten,
brstenartigen Struktur.[132, 133]
Zytotoxizittstests von HPG mit Molmassen zwischen 106
und 870 kDa ergaben in vitro 48 h nach der Inkubation mit
10 mg mL 1 Polymer nur sehr geringe Toxititten. Ebenso
wurden bei In-vivo-Studien an Musen keine Anzeichen von
Toxizitt gefunden.[134, 135]
Die Hmokompatibilitt von HPG wurde sowohl durch
Untersuchungen zur Thrombozytenaktivierung als auch
durch Koagulationsstudien belegt.[127, 134–136] Mithilfe von
ELISA wurde die C3a-Bildung untersucht. Die Komplementaktivierung lag in der gleichen Grßenordnung wie die
von saliner Lsung oder PEG (Abbildung 5). Da die C3aAngew. Chem. 2010, 122, 6430 – 6452
Abbildung 5. a), b) Auftragung der Polymerkonzentrationen im Plasma
von weiblichen Balb/C-Musen gegen die Zeit nach i.v. Injektion.
c) Akkumulation der Polymere in der Leber von Balb/C-Musen nach
i.v. Gabe (leere Quadarate = HPGA, gefllte Quadrate = HPGB). Wiedergabe mit Genehmigung aus Lit. [131]. Copyright 2007, Elsevier B.V.
d) Bildung der C3a-Fragmente bei Inkubation des Polymers mit
PPP.[135] Wiedergabe mit Genehmigung aus Lit. [135]. Copyright 2007,
Elsevier B.V. Abkrzungen: HPGA = hyperverzweigtes Polyglycerol mit
106 kDa, HPGB = hyperverzweigtes Polyglycerol mit 540 kDa,
PPP = thrombozytenarmes Plasma.
Werte ermittelt wurden, ist kein direkter Vergleich mit den
Ergebnissen fr PEG von Szebeni et al. mglich, da diese
Studien auf SC5b-9-Fragmenten basieren. Ein Vergleich
zwischen linearem PG und HPG mit jeweils 6.4 kDa zeigte
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keine signifikanten Unterschiede in der Erythrozytenaggregation, der Komplementaktivierung und der Zellviabilitt fr
beide Polymerarchitekturen sowohl in vitro als auch in vivo.
Im Vergleich zu 106- und 870-kDa-HPG konnten keine Vernderung der Biokompatibilitt und keine erhhte Komplementaktivierung aufgrund der kleineren Molmasse festgestellt werden.[134]
Man kann wegen der hnlichen Polyetherstrukturen von
PEG und PG spekulieren, dass PG genauso wenig in vivo
abbaubar sein knnte. Michael und Coots stellten fr oral
verabreichte PG-Oligomere tatschlich keine Anzeichen von
Katabolismus fest. Ebenso zeigten sie, dass PG nach oraler
Verabreichung hauptschlich im Urin ausgeschieden wird,
hnlich wie PEG.[137] Darber hinaus wurde nach i.v. Injektion
von HPG mit hherer Molmasse eine Anreicherung des Polymers in Leber und Milz (aber nicht in Niere, Lunge oder
Herz) beobachtet und nur eine geringe Ausscheidung im Urin
nach 30 Tagen im Mausexperiment festgestellt (Abbildung 5).[131] HPG mit niedrigerer Molmasse wurde jedoch
nicht untersucht, was eine Abschtzung der Nierenschwelle
von HPG unmglich macht. Anders als fr PEG wurden
keine Degradationsstudien unter mechanischer Belastung
verffentlicht. Da PG jedoch eine hnliche Etherstruktur wie
PEG hat, kann auch eine hnliche Empfindlichkeit gegen
sauerstoffinduzierte Degradation angenommen werden.
Die Verwendung der latenten ABm-Monomere Gycidol
oder Epichlorhydrin ermglichte eine bessere Kontrolle ber
die Polymerisationsgeschwindigkeit und damit die Synthese
von definierteren HPG-Polymeren mit einem von 5 auf 1.8
verringerten PDI.[138] Die Synthese von linearem PG gelingt
Schema 3. Synthese von linearem und hyperverzweigtem Poly(glycerol).
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durch das Schtzen der Hydroxygruppe von Glycidol, um
eine Verzweigung zu vermeiden. Nach der Polymerisation ist
eine Entschtzung der Hydroxygruppen notwendig.[134] Die
Funktionalisierung von PG kann sowohl ber den Initiator als
auch ber die Hydroxygruppen mit allen gngigen Substitutionsreaktionen fr OH-Gruppen erfolgen, was zu sehr hohen
Funktionalisierungsgraden fhrt (Schema 3).[129, 136, 139] Diglycerol, PG-3 und PG-4 sind kommerziell erhltliche Produkte. Ester bis PG-10 sind von der FDA als Zusatzmittel fr
Nahrungsmittel und Pharmaka zugelassen.[140]
Insgesamt hat PG wegen seiner gleichartigen chemischen
Struktur hnliche Vor- und Nachteile wie PEG. Eine interessante Mglichkeit, eine hohe Funktionalisierung des Polymers zu erreichen, bieten die multiplen Hydroxygruppen.
Allerdings ist fr hyperverzweigte Architekturen eine vollstndige Substitution wegen der sterischen Hinderung
schwierig. Der hohe Verzweigungsgrad der HPGs wirkt sich
vorteilhaft auf die Zirkulationsdauer im Blut aus, da die
verzweigten Strukturen nicht so schnell ausgeschieden
werden wie ihre linearen Analoga mit hnlichen Molmassen.
Zustzlich weisen hochverzweigte Polymere nur geringe intrinsische Viskositten auf, weshalb nur eine geringe Erhhung der Blutviskositt erwartet wird, wodurch entsprechende
physiologische
Nebenwirkungen
vermieden
werden.[141]
6.2.1.2. Poly(2-oxazoline)
Die Substanzklasse der Poly(2-oxazoline), und damit auch
das hydrophile Poly(2-methyl-2-oxazolin) (PMeOx) sowie
das Poly(2-ethyl-2-oxazolin) (PEtOx), wurden in den 1960er
Jahren entdeckt.[142–145] Seitdem konnte eine reichhaltige
Chemie rund um diese Substanzklasse aufgebaut werden, die
lebende Polymerisationsmethoden mit niedrigen PDI-Werten
sowie eine vielfltige Endgruppenchemie umfasst.[146, 147]
Dennoch wurden beide Polymere erst krzlich fr eine
Anwendung in der Biomedizin entdeckt, weshalb es zwar
bereits einige Berichte ber Anwendungen beim WirkstoffTransport gibt, aber nur sehr wenige grundlegende biologische Untersuchungen und Stabilittstests verffentlicht
wurden.[148, 149] Es wurden Wirkstoff-Transportsysteme mit
Poly(2-oxazolinen) entwickelt, z. B. Micellen aus PLAPEtOx-PLA [PLA = Poly(milchsure)] als Trger fr Doxorubicin.[150] PEtOx-Poly(e-caprolacton)-Micellen mit Paclitaxel zeigten hnliche Effizienzen wie mit Cremophor EL
formuliertes Paclitaxel.[151] Ein Cytosin-Arabinose-Konjugat
mit PEtOx erreichte in Zellviabilittstests mit HeLa-Zellen
Werte fr die mittlere inhibitorische Konzentration (IC50) im
Bereich derjenigen des entsprechenden PEG-Konjugates.[152]
Mit PMeOx behandelte Oberflchen zeigten hnliche proteinabweisende Eigenschaften wie PEG.[153, 154]
Eine der wenigen grundlegenden biologischen Untersuchungen wurde von Veronese et al. durchgefhrt. Sie demonstrierten die Hmokompatibilitt von PEtOx mit Molmassen von 5, 10 und 20 kDa bei einer Konzentration von
5 mg mL 1 und zeigten zugleich, dass 50 mg mL 1 20-kDaPEtOx bei i.v. Injektion alle zwei Tage ber zwei Wochen als
sicher und untoxisch einzuschtzen ist (Kontrolle: Salzlsung).[155] Auch der Stealth-Effekt wurde fr Liposomen mit
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PMeOx- und PEtOx-Hlle nachgewiesen, was zu einer verlngerten Zirkulationsdauer im Blut in der gleichen Grßenordnung wie fr PEG-Liposomen fhrte.[156]
Diese verlngerte Blutzirkulation wurde auch von Zalpinsky et al. fr Liposomen gezeigt, die mit jeweils 40 Wiederholungseinheiten PEG, PMeOx und PEtOx modifiziert
waren. Fr die drei Polymere konnten hnliche Zirkulationszeiten an Ratten beobachtet werden.[157] Zustzlich fanden
die Forscher fr alle Polymere eine vergleichbare Anreicherung in Leber, Milz und Nieren nach 24 h (Abbildung 6).[157]
Analoge Befunde wurden mit 111In-markiertem 4-kDaPMeOx und -PEtOx erhalten, die eine verlngerte Blutzirkulation und Akkumulation in Niere und Blase aufwiesen.[158]
PEtOx zeigt jedoch nicht nur den Stealth-Effekt, sondern hat
zustzlich auch eine untere kritische Entmischungstemperatur (lower critical solution temperature, LCST), die genutzt
werden kann, um eine erhhte Anreicherung des Polymers im
Zielgewebe zu erreichen.[159]
Die biologische Abbaubarkeit von PEtOx wurde mit
Proteinase K, einem nichthumanen Enzym, untersucht. Inkubation mit Proteinase K fhrte zu einer partiellen Degradation zu PEI; ob diese Reaktion jedoch auch im menschlichen Krper stattfindet, wurde bislang noch nicht untersucht.[160] Durch die Abspaltung der Seitengruppen entsteht
das kationische PEI, das zytotoxische Eigenschaften aufweist
sowie Erythrozytenaggregation und Hmolyse in Abhngigkeit von seiner Molmasse, dem Verzweigungsgrad und der
Zahl der kationischen Gruppen hervorruft. Je kleiner die
Molmasse und der Verzweigungsgrad des PEI sind, desto
hher ist seine Bio- und Hmokompatibilitt.[161, 162]
Zusammenfassend zeigen PMeOx und PEtOx in Bezug
auf Blutzirkulationszeit, Opsonierung und Organverteilung
ein hnliches Verhalten wie PEG. Es mssen jedoch noch
wichtige Details zur Immunaktivierung und mechanischen
Stabilitt aufgeklrt werden, bevor ein vollstndiges Bild erhalten und das Potenzial der Poly(2-oxazoline) als Alternative zu PEG eingeschtzt werden kann.
6.2.2. Vinylpolymere
6.2.2.1. Poly(acrylamid)
Torchilin et al. zeigten, dass mit 7-kDa-Poly(acrylamid)
(PAAm) stabilisierte Liposomen lnger im Blut zirkulieren
als unmodifizierte Liposomen (Abbildung 7).[163] Ebenso
Abbildung 6. a) Zirkulationsdauer im Blut von 67Ga-markierten Liposomen [(90 5) nm], die aus EPC, Cholesterol und PEG-, PMeOx- oder
PEtOx-DSPE-Konjugat hergestellt wurden, sowie von EPG (Kontrolle);
Molverhltnis 1.85:1:0.15. Jede liposomale Formulierung wurde vier
Sprague-Dawley-Ratten ber die Schwanzvene injiziert. Die Proben
wurden zu verschiedenen Zeitpunkten retroorbital entnommen, und
die Radioaktivitt wurde gemessen (EPC = Ei-Phosphatidylcholin,
EPG = Ei-Phosphatidylglycerol). Wiedergabe mit Genehmigung aus
Lit. [156]. Copyright 1994, American Chemical Society. b) g-Kamerabild
der In-vivo-Verteilung von PMeOx48PipDOTA[111In] bei CD1-Musen
30 min und 3 h nach i.v. Gabe (PipDOTA = Piperazinthiouryl-p-benzyl1,4,7,10-tetraazacyclododecan-N’,N,N,N-tetraessigsure). Die hchsten
Konzentrationen wurden in der Blase (dnne Pfeilspitze), den Nieren
(Pfeile) und im Blut des Herzens (dicke Pfeilspitze) gefunden. Wiedergabe mit Genehmigung aus Lit. [158]. Copyright 2007, Elsevier B.V.
Angew. Chem. 2010, 122, 6430 – 6452
Abbildung 7. a) Elimination der Liposomen aus dem Blut von Musen;
b) Akkumulation der Liposomen in der Leber. 1) unbehandelte Liposomen; 2) PVP-L-P-Liposomen (2.5 Mol-% PVP); 3) PAAm-L-P-Liposomen (2.5 Mol-% PAAm); 4) PEG-Liposomen (2.5 Mol-% PEG); 5) PVPL-P-Liposomen (6.5 Mol-% PVP); 6) PAAm-L-P-Liposomen (6.5 Mol-%
PAAm); 7) PEG-Liposomen (6.5 Mol-% PEG) (L: Molmasse des Polymers betrgt 6–8 kDa, P: mit terminaler Palmitoylgruppe.) Wiedergabe
mit Genehmigung aus Lit. [163]. Copyright 1994, Elsevier B.V.
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wurden Wirkstoff-Transportsysteme, wie Fluoruracil enthaltende PAAm-Mikrosphren,[164] Ibuprofen freisetzende Hydrogele und ultrafeine Hydrogelnanopartikel mit meta-Tetra(hydroxyphenyl)chlorin, fr die photodynamische Therapie getestet.[165] Auch wurden Hmoglobin-haltige PAAmMikropartikel als Sauerstofftrger untersucht.[166] In vielen
dieser Studien wird versichert, dass PAAm weder immunogen
noch zytotoxisch ist und es nicht enzymatisch abgebaut
werden kann.[167–169] Dennoch gibt es Berichte zu Entzndungsreaktionen nach der Implantation von PAAm-Hydrogelen.[170–172]
Außer diesen medizinischen Nachteilen sprechen auch
andere Eigenschaften gegen die Verwendung von PAAm fr
Wirkstoff-Transportsysteme:
1) PAAm kann sowohl durch thermische als auch durch
photolytische Einwirkungen zu Acrylamid abgebaut
werden;[171]
2) es hat ein Kohlenstoffrckgrat, sodass es nicht biologisch
abgebaut werden kann;[171]
3) 7-kDa-PAAm-modifizierte Liposomen verteilen sich bevorzugt in die Leber;[163]
4) PAAm wird aus Acrylamid synthetisiert, das schwere
neurotoxische Schden hervorrufen kann.[171, 173]
Angesichts seiner Nachteile berrascht die breite Anwendung von PAAm. Zwar scheint PAAm die ClearanceRate von Liposomen zu erhhen, allerdings aktiviert es das
Immunsystem und wird sowohl thermisch als auch photolytisch zu seinem Monomer abgebaut, das toxische Eigenschaften hat und von der IARC in Gruppe 2b eingeordnet
wurde. Diese Nachteile limitieren deutlich die Anwendbarkeit von PAAm im biomedizinischen Bereich.
6.2.2.2. Poly(vinylpyrrolidon)
Poly(vinylpyrrolidon) (PVP) ist ein kommerziell erhltliches Polymer, das z. B. unter dem Markennamen Kollidon
von der BASF vertrieben wird. Es wird sowohl in der Kosmetik- als auch der Pharmaindustrie verwendet, beispielsweise in Tablettenberzgen oder als Bindemittel und Arzneistofftrger in Formulierungen fr schwer wasserlsliche
Wirkstoffe. Es kommt außerdem in Klebstoffen, Beschichtungen, Tinten, Fotolacken, Papier, der Fotografie, Textilien
und Faseranwendungen zum Einsatz. Anfang des 20. Jahrhunderts wurde PVP auch als Plasmaexpander eingesetzt.
Sein Komplex mit Iod (Povidon-Iod) hat antiseptische Eigenschaften. Als Nahrungszusatzstoff wird PVP unter der ENummer E1201 als Stabilisator eingesetzt.[40]
Die weit verbreitete orale Anwendung von PVP lsst
bereits auf eine mgliche Eignung in der Medizin schließen.
Durch seine hydratisierte Struktur kann PVP den Wassergehalt anderer Polymere erhhen.[174, 175] Mglicherweise ist es
eben jene starke Hydratation, welche die Wechselwirkungen
mit dem Immunsystem minimiert.[174, 175] Eine Studie mit
verschiedenen
Copolymeren
aus
Poly(hydroxyethylmethacrylat) (PHEMA) und PVP ergab, dass PVP keine
Aktivierung von C3a bewirkt.[176] Damit lsst sich auch die
verlngerte Blutzirkulation von mit 6-kDa- und 7-kDa-PVP-
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stabilisierten Liposomen und 6-kDa-PVP-Superoxid-Dismutase(SOD)-Konjugat erklren (Abbildung 7).[163, 177, 178]
Aber auch widersprchliche Daten wurden publiziert, in
denen eine hhere Proteinadsorption an ein 6-kDa-PVPUricase-Konjugat als an native Uricase sowie die Bildung von
anti-PVP-Antikrpern festgestellt wurden.[179] hnliche Beobachtungen wurden in einer Studie mit PVP-konjugierter dN-Acetylhexosaminidase A gemacht, die trotz der Konjugation sehr stark mit den Antikrpern des nativen Proteins
wechselwirken konnte.[179] Trotz dieser Befunde wurde PVP
in verschiedenen Wirkstoff-Transportsystemen getestet, darunter ein SOD-Konjugat[178] oder Liposomen mit stabilisierender PVP-Hlle.[163, 177, 180] Des Weiteren wurden PLA-PVPMicellen[181, 182] und -Mikropartikel[183] sowie PVP-GelatineHydrogele[184] und PVP als Formulierungshilfe untersucht.[185, 186] PVP kann auch als Genfhre eingesetzt werden,
da es ber Wasserstoffbrcken mit DNA wechselwirkt. Bei
In-vivo-Experimenten schirmte PVP die negative Ladung ab
und erhhte somit die Stabilitt sowie die Halbwertszeit der
DNA durch Herabsetzung der enzymatischen Degradation.[187]
Ein vielversprechender Aspekt von PVP ist, dass es bei
UV- oder Ultraschallbehandlung langsamer als PEG abgebaut wird;[103, 188] allerdings kann die Bildung von Peroxiden
whrend des Trocknungsprozesses des Polymers nicht vermieden werden.[189] Die aktuelle Ph.Eur. limitiert daher den
Peroxidgehalt fr dieses Polymer auf 400 ppm. Wie auch PEG
wird PVP langsam peroxidvermittelt zersetzt, ist aber in vivo
nicht abbaubar. Da das Kohlenstoffrckgrat von PVP nicht
enzymatisch abgebaut werden kann, musste PVP wegen des
Auftretens der PVP-Speicherkrankheit (PVP Storage Disease) als Plasmaexpander schließlich vom Markt genommen
werden. Diese Krankheit trat bei Patienten auf, die PVP mit
Molmassen ber 25 kDa erhielten, das nicht ausgeschieden
werden konnte.[190]
PVP kann durch freie radikalische Polymerisation von
Vinylpyrrolidon sowie durch kontrollierte radikalische Polymerisation hergestellt werden.[174] Die zweite Methode ermglicht niedrige PDI-Werte unterhalb von 1.2,[182, 191–193] variable Endgruppen[182, 194] und – besonders wichtig – die Vermeidung hoher Molmassen. Da Vinylpyrrolidon im Verdacht
steht, karzinogen zu sein, muss es grndlich aus dem Polymer
entfernt werden.
Insgesamt ist die Biokompatibilitt von PVP vielversprechend fr Polymere mit niedrigen Molmassen unterhalb
der Nierenschwelle. Allerdings zeigt auch PVP einige Unklarheiten in Bezug auf sein immunologisches Verhalten.
Seine biologische Nichtabbaubarkeit kann zur Akkumulation
im Krper und damit zu ernsthaften Erkrankungen fhren.
6.2.2.3. Poly(N-(2-hydroxypropyl)methacrylamid)
In den 1970er Jahren etablierten Kopecek et al. Poly(N(2-hydroxypropyl)methacrylamid) (PHPMA) fr WirkstoffTransportanwendungen.[195] Die Verwendung von PHPMA
wurde von Rihova et al. und Duncan et al. weiter ausgebaut,
sodass heute PHPMA-Konjugate in klinischen Studien fr die
kommerzielle Anwendung getestet werden.[195]
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Wirkstoff-Transport
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Das erfolgreichste Konjugat, ein 28-kDa-PHPMADoxorubicin-Copolymer (8.5 Gew.-%; Doxorubicin PK1;
klinische Studie Nr. FCE 28068 Phase III; Schema 4), wurde
fr mehrere Krebsarten getestet (Tabelle 3) und zeigte dabei
Wirkung bei NSCLC, kolorektalen Tumoren und Mammakarzinomen.[196] In diesen Studien konnten weder kardiotoxische Effekte noch Multiwirkstoffresistenz (Multi Drug
Resistance) festgestellt werden; das Konjugat akkumulierte
nicht in Leber oder Milz und verursachte weder eine Immunantwort noch irgendeine andere polymerinduzierte Toxizitt.[195]
Schema 4. Doxorubicin-HPMA-Konjugat.
Aufgrund dieser sehr vielversprechenden Daten wurden
auch weitere Konjugate dieses Polymers in klinischen Studien
getestet, z. B. 25-kDa-PHPMA-Konjugate mit DoxorubicinGalactosamin (7.5 Gew.-%), Carboplatinat (8.5 Gew.-% Pt)
und DACH-Platinat (8.5 Gew.-%), die in Phase I/II zur Behandlung verschiedener Krebserkrankungen eingesetzt
wurden.[195] Klinische Studien fr PHPMA-Paclitaxel- und
PHPMA-Camptothecin-Konjugate wurden hingegen wegen
fehlender Antitumoraktivitt nicht weitergefhrt. Aus diesen
Ergebnissen wird deutlich, dass die In-vivo-Wirkungsweise
von Wirkstoff-Transportsystemen komplexen Mechanismen
folgt und noch kein grundlegendes Verstndnis dafr vorhanden ist (Tabelle 3).
Weitere PHPMA-Konjugate fr die Tumortherapie, die
noch nicht in klinischen Studien zur Anwendung kamen, sind
ein Konjugat mit einem Glutathionderivat zur GlyoxalaseInhibierung sowie ein Cyclohexanonderivat, das an PHPMA
mit Molmassen zwischen 3 und 30 kDa gekuppelt und mit
unterschiedlichen Mengen des Wirkstoffes beladen wurde. Im
Rahmen von In-vitro-Studien mit B16-Mausmelanomzellen
zeigte dieses Konjugat eine niedrigere Effektivitt als der
freie Wirkstoff, allerdings ist dieses Resultat nicht berraschend, wenn man sich vor Augen fhrt, dass der Erfolg der
Konjugate auf der verzgerten Abgabe des Wirkstoffes
in vivo basiert.[197] Gleichermaßen war Geldanamycin, konjugiert mit 16- bis 50-kDa-PHPMA, in vitro weniger toxisch
in A2780-Ovarialkarzinom,- Prostatakrebs- (PC-3 and
DU145) und Endothelzellen (HUVECs) als der native
Wirkstoff. Bei In-vivo-Experimenten mit Musen wurde
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jedoch eine verbesserte Vertrglichkeit des Konjugats gefunden: eine Dosis von 80 mg kg 1 zeigte keine Anzeichen
von Toxizitt (zum Vergleich: 30 mg kg 1 beim ungebundenen
Wirkstoff).[198, 199]
Durch die Bindung des Wirkstoffes kann eine verbesserte
In-vivo-Vertrglichkeit erreicht werden. Bei konventionellen
PHPMA-Konjugaten erfolgt die Bindung vorwiegend ber
die Seitenketten des Polymers, sodass eine hohe Beladung mit
kleinen Wirkstoff-Moleklen erzielt werden kann. Zur Konjugation von Proteinen wird im Allgemeinen die Endgruppe
des Polymers genutzt, was zu sternfrmigen Architekturen
fhrt. Diese Bindungsvariante hat sich z. B. fr ein SODKonjugat als sehr vorteilhaft herausgestellt. Das konventionelle SOD-Konjugat wies einen PDI-Wert von ber 3.5 auf,
der durch die Konjugation mit semitelechelem PHMA auf 2
reduziert werden konnte. Diese Verringerung des PDIWertes verbesserte die Biokompatibilitt, da das klassische
PHPMA-SOD-Konjugat die Bildung einer deutlich hheren
Zahl an Antikrpern verursachte als das sternfrmige Konjugat.[200, 201]
Bei einer vergleichenden Studie verschiedener WirkstoffTransportsysteme, wie eines sternfrmigen PHPMA-Doxorubicin-Konjugats, eines konventionell ber die Seitenketten
gebundenen PHPMA-Doxorubicin-Konjugats und PHPMA
als Formulierungshilfe fr Doxorubicin, zeigten in vitro alle
Systeme eine geringere Effizienz an A2780-Ovarialkarzinomzellen als freies Doxorubicin.[202] Wie bereits diskutiert,
muss dieses Resultat nicht zwingend zu einem Versagen der
Transportsysteme in vivo fhren. Weitere Studien wurden mit
PHPMA-Mesochlorin-Konjugaten durchgefhrt, die mit FabAntikrper fr aktives Targeting konjugiert waren. Bei Bestrahlungsexperimenten mit Ovarialkarzinomzellen konnte
die Wirksamkeit dieses Konjugates fr die photodynamische
Therapie demonstriert werden.[203] Durch die Funktionalisierung von PLL-DNA-Komplexen mit semitelechelem
PHPMA mit Molmassen von 5.5 und 8.5 kDa konnte in vitro
die Stabilitt des Komplexes erhht werden. Die Komplexe
zeigten eine verringerte Albumin-induzierte Aggregation und
eine reduzierte Bindung von Albumin an den Komplex.
In vitro in Mausmakrophagen wurde die Phagocytose reduziert, die jedoch nicht mit den In-vivo-Ergebnissen korreliert
werden konnte, da dieser Komplex keine verlngerte Zirkulationszeit aufwies. Die Hintergrnde fr diese Befunde
konnten nicht aufgeklrt werden.[204] Die Blutzirkulationszeit
eines PLL-PEI-Komplexes konnte dagegen durch Modifikation mit multivalentem PHPMA von 5 auf 90 min verlngert
werden.[23]
Lipsomen mit PHPMA-Hlle, die zum Transport von
Calcein dienten, wurden ebenfalls hergestellt.[205] Whiteman
et al. fanden eine Verlngerung der Zirkulationszeit von 4.3kDa-PHPMA-Liposomen im Blut gegenber der von unmodifizierten Liposomen (Abbildung 8).[206] Auch verschiedene
PHPMA-Hydrogele wurden als Wirkstoff-Trger getestet,[207]
z. B. fr Doxorubicin sowie ein PHPMA-Adriamycin-Konjugat, um eine Multiwirkstoffresistenz zu umgehen.[208] PHPMA
kann durch freie radikalische Polymerisation oder durch
kontrollierte radikalische Polymerisationstechniken (z. B.
Atom-Transfer-Radikal-Polymerisation (ATRP) oder Additions-Fragmentierungs-Kettenbertragungs(RAFT)-Polyme-
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Abbildung 8. a) Elimination aus dem Blut und b) Akkumulation in der
Leber von 1) unbehandelten Liposomen und 2) Liposomen mit
0.3 Mol-% PHPMA-4300-Da-lsure; 3) Liposomen mit 3 Mol-%
PHPMA-4300-Da-lsure; 4) Liposomen mit 3 Mol-% PHPMA-2900Da-lsure. Wiedergabe mit Genehmigung aus Lit. [206]. Copyright
2001, Informa Healthcare, Taylor & Francis Group.
risation) synthetisiert werden,[209–211] die zu niedrigen PDIWerten und verschiedenen definierten Endgruppen fhren,
die weitere chemische Modifizierungen ermglichen.[212]
Zur Beurteilung der Polymerstabilitt wurde die Degradation bei Erhitzen untersucht.[213] Wie bei den Vinylpolymeren wurde ein Abbau festgestellt, der jedoch unter physiologischen Bedingungen nicht stattfindet.[214] Anders als im
Fall der weiteren nicht biologisch abbaubaren Vinylpolymere
gibt es jedoch eine Studie zur Nierenschwelle dieses Polymers, in der fr 30-kDa-PHPMA eine vollstndige Elimination aus dem Krper beobachtet wurde.[195] bereinstimmend
mit dieser Untersuchung wurden Transportsysteme mit
PHPMA mit einer Molmasse ber 45 kDa in Leber und Milz
akkumuliert.[214–216] Ein PHPMA-Doxorubicin-Konjugat mit
einer Molmasse von 30 kDa ergab zwar eine verringerte
Doxorubicinkonzentration im Herzen, jedoch ebenfalls erhhte Werte in Leber und Milz.[217]
Mit ihrem Eintritt in die klinische Phase ist die Entwicklung der PHPMA-Konjugate bereits weit fortgeschritten. In
den klinischen Tests liefern sie sehr vielversprechende Ergebnisse, allerdings sind die Stabilitt und Nierenschwelle
dieses Polymers sowie seine Auswirkungen auf das Immunsystem noch noch nicht aufgeklrt.
7. Zusammenfassung
PEG ist das derzeit meistverwendete Polymer zum
Wirkstoff-Transport und das einzige Stealth-Polymer, das in
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polymeren Therapeutika Marktreife und die behrdliche
Zulassung fr verschiedene Wirkstoffe erreicht hat. Dies ist
auf seine Hydrophilie, seine verringerte Wechselwirkung mit
Blutbestandteilen und seine hohe Biokompatibilitt zurckzufhren. Bei verschiedenen Studien in den letzten Jahren hat
sich jedoch gezeigt, dass die Verwendung von PEG auch
Probleme mit sich bringen kann – beispielsweise kann das
Polymer, trotz gegenteiliger Behauptungen, mit dem Immunsystem wechselwirken, unter mechanischer Belastung
abgebaut werden und im Krper angereichert werden, wenn
die Nierenschwelle berschritten wird. Dazu kommt, dass die
Mehrzahl der Studien zur Biokompatibilitt von PEG aus den
1950er bis 1970er Jahren stammt und einer berarbeitung
unter Anwendung moderner (Analysen-)Techniken bedarf,
insbesondere auf zellulrer Ebene.
Als PEG-Alternativen bieten sich zahlreiche chemisch
sehr verschiedene, synthetische Polymere an. Diese mssen
jedoch mit dem hohen Standard, der von PEG vorgegeben
wird, konkurrieren. Bisher gibt es zu keinem dieser Polymere
ausreichende Studien zur Biokompatibilitt, Degradation
oder Nierenschwelle. Obwohl wegen der schwierigen Patentsituation von PEG die Suche nach Alternativen intensiviert wurde, konnte bisher keines der Polymere die Zulassung
in einem polymeren Therapeutikum erhalten. Viele hydrophile Polymere knnen nicht einmal als ernsthafte Alternative angesehen werden, da sie schwerwiegende Wechselwirkungen mit dem Immunsystem eingehen und deswegen die
Zirkulationszeit der Trgersysteme nicht verlngern knnen.
Als vielversprechendste Polymere zur Verlngerung der
Blutzirkulationzeit gelten Poly(glycerole), Poly(aminosuren), Poly(vinylpyrrolidon), Poly(N-(2-hydroxypropyl)methacrylamid) und Poly(2-oxazoline).
Um die Ausscheidung ber die Niere zu erleichtern,
sollten biologisch abbaubare Polymere gewhlt werden. Die
einzigen Polymere, die diese Eigenschaft zustzlich zum
Stealth-Effekt aufweisen, sind Poly(aminosuren). Alle anderen Polymere sind ebenso wie PEG nicht biologisch abbaubar; damit ist ihr Verbleib nach der Disaggregation der
Transportsysteme, besonders nach wiederholter Verabreichung, unklar. Poly(aminosuren) sind auch die einzigen
Polymere, die nachweislich kein ABC-Phnomen verursachen, ein Vorteil gegenber PEG. Fr die brigen Polymere
ist diesbezglich keine Einschtzung mglich, da noch keine
entsprechenden Untersuchungen fr sie durchgefhrt
wurden. Genausowenig wurde bisher in Betracht gezogen,
dass die jeweiligen Polymere wegen ihrer verschiedenen
Strukturen auch verschiedene Abbaumechanismen aufweisen
knnten, was zu bisher unbekannten Spezies mit unbekannter
Biokompatibilitt fhren knnte. Eine Einschtzung kann
auch in diesem Fall wegen fehlender Untersuchungen noch
nicht vorgenommen werden.
Fr keines der alternativen Polymere ist bisher eine hinreichende Studie zu seiner Degradation unter Belastung
durchgefhrt worden; nur PAAm, das in sein toxisches Monomer zerfllt, kann bislang als inakzeptabel fr biomedizinsiche Anwendungen beurteilt werden kann. Interessanterweise sind die Monomere aller hier vorgestellten Polymere
toxisch, die Polymere selbst hingegen biokompatibel.
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Angewandte
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Beurteilt man alle Polymere nach denselben strengen
Kriterien, bleibt PEG auch weiterhin der Goldstandard fr
polymerbasierte Stealth-Wirkstoff-Transportsysteme, da es
das bestuntersuchte Polymer ist. Weitere systematische Untersuchungen mit alternativen Polymeren knnten in Zukunft
jedoch auch zu anderen Ergebnissen fhren. Wir sind neugierig auf die weitere Entwicklung dieses spannenden Gebietes.
Die Autoren danken dem Dutch Polymer Institute (DPI) und
dem Thringer Ministerium fr Bildung, Wissenschaft und
Kultur (TMBWK, ProExzellenz-Programm NanoConSens,
B514-09049) fr finanzielle Untersttzung. Besonderer Dank
gilt Dr. Tobias Phlmann, Dr. Stephanie Hornig und Prof.
Dieter Schubert fr hilfreiche Kommentare. K.K. dankt Bodo
Heller fr Hinweise bei der deutschen bersetzung. Wir
mchten auch besonders den Gutachtern fr wertvolle Hinweise danken.
Eingegangen am 19. Mai 2009
Online verffentlicht am 20. Juli 2010
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