Neues hautdurchlässiges Polymer liefert Insulin ohne Nadeln

Ein bahnbrechendes zwitterionisches Polymer durchdringt die härtesten Barrieren der Haut, transportiert Insulin tief ins Gewebe und normalisiert den Blutzucker und bietet Patienten eine schmerzfreie Alternative zu täglichen Injektionen.

Studie: Ein hautdurchlässiges Polymer für die nicht-invasive transdermale Insulinabgabe. Bildnachweis: Media/Shutterstock.com

Eine kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichte Studie Natur untersucht die Verwendung des hautdurchlässigen Moleküls Poly[2-(N-oxide-N,N-dimethylamino)ethyl methacrylate] (OP) als Abgabesystem für Insulin, ein Schlüsselmedikament bei der Behandlung von Typ-1-Diabetes und vielen Fällen von Typ-2-Diabetes mellitus.

Medikamente mit kleinen Molekülen sind oft so konzipiert, dass sie über die Haut aufgenommen werden. Für große Biomoleküle wie Proteine ​​und Peptide wie Insulin ist dies jedoch nicht möglich.

Hindernisse für die Insulinabgabe

Insulin wird typischerweise durch intradermale Injektion verabreicht. Diese Methode ist schmerzhaft, kann Angst vor Nadeln und Hautkomplikationen hervorrufen, die alle mit einer schlechten Compliance des Patienten verbunden sind. Über keine erfolgreiche nichtinvasive Technik der Insulinabgabe wurde bisher berichtet.

Die transdermale Arzneimittelabgabe bietet mehrere Vorteile, darunter eine verbesserte Patientencompliance, Bequemlichkeit, eine erhöhte Wirkstoffkonzentration durch Vermeidung von Denaturierung und einen verringerten First-Pass-Metabolismus des Arzneimittels. Eine der größten Herausforderungen bei diesem Ansatz besteht darin, das Stratum Corneum (SC) der Haut zu überwinden.

Der SC besteht aus toten und ausgetrockneten Korneozyten, die von einer wohlgeordneten Fettmatrix umgeben sind. Zusammen mit den epithelialen Tight Junctions in der Epidermis und Dermis stellt dies eine Barriere für das Eindringen von Medikamenten dar. Zu den möglichen Ansätzen gehören chemische Penetrationsverstärker, elektrisch angetriebene Geräte, die das Eindringen des Arzneimittels in die Haut erzwingen, und die Injektion mittels Ultraschall oder Strahl anstelle von Injektionsnadeln und Mikronadeln. Da diese invasiv sind, sind sie jedoch mit einem höheren Infektionsrisiko verbunden.

Kationische Peptide können manchmal durch die Haut gelangen und an organische Säuren im Talg und Stratum Corneum gebunden sein. Diese Bindung immobilisiert sie jedoch im SC und verhindert so ihre tiefere Diffusion. Ihr einziger Weg führt über die Haarfollikel und Schweißdrüsen, die weniger als 0,1 % der Hautfläche ausmachen, was bedeutet, dass die Penetration ineffizient ist.

Dies war Anlass für die aktuelle Erforschung des neuartigen Polymers OP. Die extreme Hautdurchlässigkeit von OP-I führt zu keiner Änderung der Lipidordnung oder -struktur der Haut. Stattdessen zeigten Molekulardynamiksimulationen, dass OP-I schneller von den Fetten des Stratum Corneum adsorbiert wurde als natives Insulin und schnell durch die Lipide diffundierte, um die Dermis und das Unterhautgewebe zu erreichen.

Dies war durch einen Übergang vom protonierten kationischen Zustand (bei einem pH-Wert von 5 oder niedriger) zu einem Zwitterion während der Hautpassage (bei neutralem pH-Wert) gekennzeichnet. Diese pH-abhängige Ladungsverschiebung richtet sich nach dem Säure-zu-Neutral-Gradienten der Haut und ist für das Transportverhalten von OP von zentraler Bedeutung.

Dieser Wechsel entspricht der pH-Änderung der Hautschichten, die von oberflächlich nach tief verläuft. Bei topischer Anwendung auf der Haut reichert sich OP im sauren Talg und in den Fettsäuren an, die im Fett enthalten sind, das die Hornzellen überzieht. In den tieferen Schichten des SC, die einen neutralen pH-Wert haben, wird es zu einem Polyzwitterion und begünstigt so die freie Diffusion, indem es elektrostatische Wechselwirkungen mit den Lipiden des Stratum Corneum verringert.

Dadurch kann OP schnell und reibungslos durch die Haut in die Blut- und Lymphgefäße gelangen. OP und OP-Insulin gelangen hauptsächlich über undichte Lymphkapillaren in den systemischen Kreislauf, bevor sie den Blutkreislauf erreichen.

Studienergebnisse

OP-Diffusion

Die Forscher trugen fluoreszierend markiertes OP auf die Hautoberfläche von Mäusen und Minischweinen auf (deren Haut ist der menschlichen Haut sehr ähnlich) und verfolgten seinen Durchgang durch die Haut mithilfe hochauflösender Bildgebung.

Bei Mäusen diffundierte OP innerhalb von vier Stunden nach der topischen Anwendung in alle Hautschichten, während das Kontroll-Polyethylenglykol (PEG) auf der Hautoberfläche verblieb. In der Epidermis und Dermis bewegte sich OP-I durch membranvermittelte Diffusion, ohne in die Zelle einzudringen. Dabei handelte es sich eher um ein schnelles „Hüpfen“ entlang benachbarter Zellmembranen als um einen intrazellulären Transport.

Eine weitere Bestätigung wurde durch die Visualisierung der OP-gebundenen Goldnanopartikel innerhalb der Lipidlamellen der Fettschicht zwischen den Korneozyten erhalten. OP dringt mit außergewöhnlicher Effizienz in die Haut ein und gelangt innerhalb von 30 Minuten in den Blutkreislauf. Seine Konzentration erreichte etwa zwei Stunden später ihren Höhepunkt.

Insulin-konjugiertes OP

Rekombinantes Humaninsulin wurde dann an OP (OP-I) konjugiert, wobei pegyliertes Insulin als Kontrolle diente und eine ähnliche Molekülmasse von 5 kDa aufwies. OP-I hatte die gleiche Sekundärstruktur wie Insulin. Es zeigte auch unveränderte Rezeptorbindungs- und Assoziations-Dissoziationskonstanten, was darauf hindeutet, dass die Rezeptorspezifität und -affinität von nativem Insulin intakt blieb.

Die Hautdurchlässigkeit von OP-I wurde anhand des Blutzuckerabfalls nach topischer Anwendung gemessen. Im Vergleich zu ungebundenem Insulin führte das konjugierte Insulin zu derselben Senkung des Blutzuckerspiegels.

Die Studie legt daher nahe, dass sich OP-I ähnlich wie Insulin verhält, mit unveränderter Spezifität an den Insulinrezeptor bindet und nachgeschaltete Signalwege aktiviert, die zu glukose-senkenden Effekten führen. OP-I hatte eine längere Halbwertszeit als Insulin, wahrscheinlich aufgrund seiner zwitterionischen Natur, die der Bindung und Entfernung von Plasmaproteinen aus dem Blut widersteht. Diese Verlängerung war bescheiden (15 bis 20 Minuten gegenüber 5 bis 10 Minuten für natives Insulin).

Die Modellierung der Hautpermeation von OP-I im Zeitverlauf mittels konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) zeigte, dass es sich innerhalb einer halben Stunde gleichmäßig in der Epidermis ausbreitete. Im Gegensatz dazu blieben natives Insulin und PEG-I auf der Hautoberfläche. Somit hatte OP-I den höchsten Permeabilitätskoeffizienten unter den dreien, etwa 4,5- bzw. 9-fach so hoch wie der von PEG-I bzw. Insulin.

OP-Auswirkungen auf Insulin und Blutzucker

OP-I erreichte innerhalb von zwei Stunden vergleichbare Plasmaspiegel wie subkutanes Insulin. Ab diesem Zeitpunkt waren die Werte um 60 bis 600 % höher als bei Insulin. Die anderen beiden Moleküle hatten keinen Einfluss auf den Insulinspiegel im Blut.

Bei Mäusen mit Typ-1-Diabetes normalisierte OP-I den Blutzuckerspiegel. Sobald OP-I im Blut war, wurde es hauptsächlich von Leber, Lunge und Nieren aufgenommen und löste eine Insulinaktivität aus. Seine Aktivität war im Vergleich zu subkutan verabreichtem nativem Insulin länger, das schnell aus dem Blutkreislauf entfernt wurde, ohne dass es zu einer nennenswerten Anreicherung in diesen Geweben kam. OP-I regulierte den Blutzuckerspiegel bei diabetischen Mäusen besser als andere Behandlungen.

Ähnliche Ergebnisse wurden bei Minischweinen beobachtet, wobei OP-I vier Stunden nach der topischen Anwendung in die Dermis und das Unterhautgewebe gelangte. Es führte innerhalb von zwei Stunden zu einem normalen Blutzuckerspiegel und hielt diesen 12 Stunden lang aufrecht.

Bemerkenswert ist, dass die topische OP-I-Anwendung die Haut nicht reizte oder Entzündungen hervorrief. Die wiederholte Anwendung sowohl bei Mäusen als auch bei Minischweinen verursachte keine strukturellen Veränderungen am Stratum Corneum oder Anzeichen einer Immunaktivierung.

Auf dem Weg zu nadelfreiem Insulin

Das hautdurchlässige Polymer könnte eine nicht-invasive transdermale Verabreichung von Insulin ermöglichen, Patienten mit Diabetes von subkutanen Injektionen entlasten und möglicherweise die patientenfreundliche Verwendung anderer Protein- und Peptid-basierter Therapeutika durch transdermale Verabreichung erleichtern.

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Quellen: