Das Auflösen von Mikronadeln könnte die photodynamische Hautkrebsbehandlung verbessern

Die photodynamische Therapie (PDT) nutzt ein lichtempfindliches Medikament und eine bestimmte Lichtwellenlänge, um Krebszellen zu zerstören. Die Behandlung ist zu einer wichtigen Option für bestimmte Hautkrebsarten geworden, da sie auf erkranktes Gewebe abzielt und gleichzeitig Schäden an der umgebenden Haut begrenzt. Die PDT steht jedoch vor einer grundlegenden Herausforderung: Sowohl das Medikament als auch das Licht müssen denselben Gewebebereich erreichen. Während Medikamente, die auf die Haut aufgetragen werden, oft Schwierigkeiten haben, tief einzudringen, verliert das Licht beim Durchdringen des Gewebes auch an Intensität, was die Behandlung auf relativ flache Läsionen beschränkt.

Wissenschaftler haben eine mögliche Lösung entwickelt, die beide Probleme gleichzeitig angeht. In einer im veröffentlichten Studie Zeitschrift für biomedizinische Optikzeigte ein Team der Texas A&M University Biomedical Engineering und des Sao Carlos Institute of Physics der Universität von São Paulo, dass das Auflösen von Mikronadeln, von denen bereits bekannt ist, dass sie die Arzneimittelabgabe durch die Haut verbessern, auch dazu beitragen kann, Licht effektiver im Gewebe zu verteilen.

Mikronadeln sind winzige Strukturen mit einer Länge von weniger als einem Millimeter, die schmerzlos die äußere Hautbarriere durchdringen. Sie bestehen aus biologisch abbaubaren Polymeren und lösen sich nach dem Einführen allmählich auf. Frühere Studien der Forschungsgruppe zeigten, dass mit Aminolävulinsäure (ALA), einem häufig bei der PDT verwendeten Medikament, beladene Mikronadeln die Behandlung tiefer und gleichmäßiger in Hauttumoren einbringen als herkömmliche Cremes. Dies führte zu einer gleichmäßigeren Produktion der lichtaktivierten Verbindung, die bei Lichteinwirkung für die Abtötung von Krebszellen verantwortlich ist.

Diese Studie stellte eine andere Frage: Könnten die Mikronadeln selbst die Lichtabgabe verbessern?

Um das herauszufinden, stellten die Forscher Arrays mit Hunderten von pyramidenförmigen Mikronadeln her und beleuchteten sie mit einem grünen Laser. Indem sie das aus den Arrays austretende Licht in verschiedenen Winkeln fotografierten und die Bilder analysierten, kartierten sie, wie die Mikronadeln den Weg des einfallenden Lichts veränderten.

Die Experimente zeigten, dass die winzigen Strukturen fast wie Miniatur-Lichtverteiler wirkten. Anstatt zuzulassen, dass sich das Licht nur geradlinig ausbreitet, lenkten die Mikronadeln es durch eine Kombination aus internen Reflexionen und Streuung in viele Richtungen um. Dadurch wurde das aus den Nadelspitzen austretende Licht viel gleichmäßiger verteilt als das Licht, das durch die Zwischenräume zwischen ihnen dringt.

Messungen zeigten, dass das von den Mikronadelspitzen kommende Licht über eine Reihe von Betrachtungswinkeln hinweg eine ähnliche Intensität beibehielt, was darauf hindeutet, dass die Strukturen ein nahezu gleichmäßiges, multidirektionales Beleuchtungsmuster erzeugten. Den Forschern zufolge könnte diese Art der Lichtverteilung besonders in biologischen Geweben nützlich sein, wo herkömmliche Oberflächenbeleuchtung oft einige Bereiche unterbelichtet lässt.

Das Team entwickelte außerdem ein mathematisches Modell, um zu untersuchen, wie Tausende von Mikronadelspitzen das Licht im Gewebe verteilen könnten. Ihre Analyse legt nahe, dass dieses breitere Streumuster den schnellen Verlust der Lichtintensität reduzieren könnte, der typischerweise bei standardmäßiger gerichteter Beleuchtung auftritt. In der Praxis kann ein größerer Teil des Behandlungslichts Bereiche erreichen, die mit herkömmlichen Ansätzen schwer zu beleuchten sind.

Für die PDT könnte das wichtig sein. Eine erfolgreiche Behandlung hängt nicht nur von der Menge des abgegebenen Lichts ab, sondern auch davon, wie gleichmäßig dieses Licht das lichtempfindliche Medikament in der gesamten Läsion aktiviert. Eine ungleichmäßige Beleuchtung kann dazu führen, dass Gewebetaschen nicht ausreichend behandelt werden, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass Krebszellen zurückbleiben. Durch eine gleichmäßigere Lichtverteilung können Mikronadeln die Aktivierung der Therapie über ein größeres Gewebevolumen verbessern.

Die Technologie könnte potenziell auf zwei Arten genutzt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, zunächst mit Medikamenten beladene Mikronadeln zu verwenden und dann ein zweites Mikronadel-Array anzuwenden, das speziell zur Verbesserung der Lichtabgabe entwickelt wurde. Eine andere Möglichkeit ist ein einzelnes Mikronadelsystem, das beide Funktionen gleichzeitig ausführt, das Medikament abgibt und gleichzeitig das Licht leitet und umverteilt. Ein solcher Ansatz könnte die Behandlung vereinfachen und die Präzision verbessern, indem sichergestellt wird, dass die Wirkstofffreisetzung und die Lichtexposition am selben Ort erfolgen.

Die Forscher weisen darauf hin, dass ihre optischen Messungen in einem vereinfachten Laboraufbau und nicht in lebendem Gewebe durchgeführt wurden. Zusätzliche Studien an Gewebemodellen und präklinischen Systemen werden erforderlich sein, um festzustellen, inwieweit der Lichtumverteilungseffekt die Behandlung unter realen Bedingungen verbessert.

Dennoch deuten die Ergebnisse darauf hin, dass das Auflösen von Mikronadeln mehr bewirken könnte als nur die Abgabe von Medikamenten. Durch die Kombination der Arzneimittelverabreichung mit einer verbesserten Lichtverteilung in einem einzigen biologisch abbaubaren Gerät können sie dazu beitragen, die Reichweite der photodynamischen Therapie zu erweitern und die Behandlung von Hautkrebs zu verbessern, der derzeit nur schwer mit Licht zu behandeln ist.

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