Lipid Nanopartikel
Wie kann ein Wirkstoff an seinen Bestimmungsort im Körper gelangen? Hierbei handelt es sich um eine der zentralen Fragestellungen bei der Entwicklung neuer pharmazeutischer Produkte. Viele pharmazeutische Wirkstoffe würden ohne ausreichenden Schutz vom Körper zersetzt oder direkt ausgeschieden werden. Forscher sind daher stets auf der Suche nach Transportsystemen, die den Wirkstoff sicher, effizient und zielgerichtet dorthin befördern, wo er benötigt wird. Bei Lipid Nanopartikeln (LNP) handelt es sich um ein solches Transportsystem, das gezielt Wirkstoff in das Zellinnere befördert. Sie sind eine Weiterentwicklung der Liposom-Technologie, bei der schwerlösliche oder instabile Wirkstoffe von einer Lipiddoppelschicht eingeschlossen und dadurch vom Körper aufgenommen werden können. Liposome sind zwar ein sehr vielseitiges Transportsystem, haben jedoch einige Nachteile, darunter die aufwändige Produktion, geringe Stabilität und schwache Effizienz bei der Umhüllung von Wirkstoffen. Seit 1990 wird daher gezielt daran geforscht, einige dieser Probleme zu überwinden, was schlussendlich zur Entwicklung zahlreicher Pharmazeutika führte, die auf dem Prinzip der Lipid Nanopartikel Technologie beruhen.
Was sind Lipid Nanopartikel und wie sind Lipid Nanopartikel aufgebaut?
Bei Lipid Nanopartikeln handelt es sich, wie es der Name bereits vermuten lässt, um kugelförmige Nanopartikel, die aus festen und flüssigen Lipiden aufgebaut sind und durch Emulgatoren stabilisiert werden. Lipid Nanopartikel haben in der Regel eine Größe von 10 – 1000 nm und sind damit im Mittel ungefähr 10.000-mal kleiner als ein Millimeter. Bei Lipiden handelt es sich um natürlich vorkommende Stoffverbindungen zu denen unter anderem auch Fette, Öle, Wachse oder Fettsäuren zählen. Das besondere an Lipid Nanopartikeln im Vergleich zur klassischen Liposom-Technologie sind die verwendeten Lipide – Phospholipide, Cholesterol, PEGylierte Lipide und ionisierbare, kationische Lipide. Diese Lipide besitzen fettlösliche und/oder wasserlösliche Eigenschaften und erzeugen im korrekten Mischungsverhältnis Nanopartikel, die Wirkstoffmoleküle vollständig umhüllen. Der Wirkstoff ist dadurch besser geschützt und kann effizient in die Zelle transportiert werden. Es wird unterschieden zwischen „Solid Lipid Nanopartikeln“, die eine geordnete kristalline Struktur aufweisen, jedoch nur wenig Wirkstoff einschließen können, und „Nanostructured Lipid Carriers“ mit unstrukturierter Matrix und höherer Wirkstoffaufnahme. Alle Arten von Lipid Nanopartikel sind aufgrund ihrer Größe und Beschaffenheit in der Lage von Körperzellen aufgenommen zu werden, da deren Zellmembran ebenfalls aus Lipiden aufgebaut ist. Im Inneren der Zelle wird die Lipidhülle dann zersetzt und der Wirkstoff freigegeben. Die Wirkstoffe sind in der Regel kleine Moleküle, die Krankheiten direkt in den Körperzellen bekämpfen, oder RNA, die ohne Umhüllung nicht stabil genug wäre, um als Wirkstoff angewendet zu werden.Warum sind Lipid Nanopartikel auf einmal wichtig?
Die Möglichkeit, Wirkstoffe direkt in Zellen zu transportieren, bietet Ärzten neue Wege, Krankheiten zu heilen, die in der Vergangenheit nur schwer oder kaum behandelbar waren. Aus diesem Grund wurde viel Forschungsarbeit investiert, um mit Hilfe der Lipid Nanopartikel Technologie Medikamente herzustellen, die in der Gentherapie oder personalisierten Medizin zum Einsatz kommen. Durch das Einbringen von speziell für den Patienten und das Krankheitsbild angepasster RNA in die Körperzellen können beispielsweise Erbkrankheiten behandelt oder eine Impfantwort auf eine spezifische Krebserkrankung hervorgerufen werden. Einen regelrechten Boom hat die Technologie während der Covid-19 Pandemie innerhalb der Impfstoffentwicklung erfahren, als sie von den Firmen BioNTech-Pfizer und Moderna-Lonza genutzt wurde. In Rekordzeit wurden mRNA-Impfstoffe auf Lipid Nanopartikel Basis gegen das Covid-19 Virus hergestellt. Ein Vorgang, der vor einigen Jahren noch undenkbar gewesen wäre. Bei diesen Impfstoffen wird den Körperzellen der Bauplan für das Spike-Protein des Virus in Form von mRNA zur Verfügung gestellt. Im Anschluss stellen die Zellen das an sich ungefährliche Protein selbstständig her. Dies erlaubt es dem körpereigenen Immunsystem sowohl Antikörper gegen das Virus zu produzieren als auch ein Immungedächtnis für den Krankheitserreger auszubilden. Kommt die geimpfte Person anschließend in Kontakt mit dem Covid-19 Virus, kann das Immunsystem schneller auf den Erreger reagieren, den Ausbruch der Erkrankung verhindern oder einen milderen Krankheitsverlauf bewirken.
Sind Lipid Nanopartikel schädlich oder krebserregend?
Es ist aktuell nicht davon auszugehen, dass Lipid Nanopartikel gesundheitsschädlich oder gefährlich sind. Bei den verwendeten Lipiden handelt es sich um körperähnliche Stoffe, weswegen das Bundesministerium für Gesundheit die Lipid Nanopartikel als nicht gesundheitlich gefährdend einstuft und keine Schäden an Zellen des menschlichen Körpers zu befürchten sind. Auch der Transportmechanismus ist körpereigen, denn unser Körper benutzt für den Transport von nicht im Blut löslichen Vitaminen oder Cholesterin eine ähnliche Art von Partikeln, LDL-Partikel. Von einer krebserregenden Wirkung von Lipid Nanopartikeln ist aufgrund des Wirkmechanismus daher nicht auszugehen. Die gesundheitliche Verträglichkeit und potenzielle Nebenwirkungen wurden durch zahlreiche Studien rund um die mRNA-Impfstoffe von BioNTech-Pfizer und Moderna-Lonza untersucht, die belegen, dass der Lipid Nanopartikel-Abbau im Körper innerhalb weniger Wochen abgeschlossen ist. Es können jedoch in einzelnen Fällen allergische Reaktionen oder Nebenwirkungen auftreten, die bereits von anderen Impfstoffen bzw. vergleichbaren Medikamenten bekannt sind.
Wie werden Lipid Nanopartikel hergestellt und charakterisiert?
Lipid Nanopartikel werden in der Regel mit mikrofluidischen Systemen hergestellt. Ein Gemisch aus vier Lipidbausteinen wird dabei mit dem zu umhüllenden Wirkstoff zusammengeführt, wodurch sich die gefüllten Lipid Nanopartikel erzeugen lassen. Die Zusammensetzung des Lipidgemisches, das Mischverhältnis zwischen Lipiden und Wirkstoff, der Aufbau des mikrofluidischen Systems und einige technische Parameter während der Produktion bestimmen die Beschaffenheit der Partikel. Wichtige Eigenschaften von Lipid Nanopartikeln sind Partikelgröße, Partikelladung und Effizienz der Verkapselung des Wirkstoffes. Diese Parameter legen fest, wie verträglich das Medikament ist, welche Zellen im Körper von der Behandlung betroffen sind und wie gut der Wirkstoff von den Körperzellen aufgenommen werden kann. Aus diesem Grund ist es unerlässlich, diese kritischen Qualitätsattribute von Lipid Nanopartikeln zu untersuchen und zu charakterisieren. Zu den gängigsten Techniken zählen die Nanopartikel Tracking Analyse (NTA), analytische Ultrazentrifugation oder Flüssigchromatographie, gekoppelt mit Massenspektrometrie. Besonders analytische Verfahren auf Basis von Lichtstreuung, wie sie von Wyatt Technology angeboten werden, haben sich in der Vergangenheit als besonders vielseitige und leistungsstarke Werkzeuge zur Untersuchung von Lipid Nanopartikeln herausgestellt:- Dynamische Lichtstreuung bestimmt innerhalb weniger Sekunden die Größe und Größenverteilung
- Elektrophoretische Lichtstreuung bestimmt das Zeta-Potential und die Ladung von Lipid Nanopartikeln
- Mehrwinkellichtstreuung nach vorgeschaltener Größenausschlusschromatographie oder Feldflussfraktionierung ermöglicht ausführliche Charakterisierung der Größenverteilung, der Effizienz der Verkapselung und des Verhältnisses von Wirkstoff zu Partikelgröße
Fazit: Was sollte man über Lipid Nanopartikel wissen?
- Lipid Nanopartikel sind Transportvehikel, mit denen Wirkstoffe direkt in Körperzellen gelangen
- Der Wirkstoff wird von Lipiden umhüllt, stabilisiert und kann dadurch an seinen Bestimmungsort gelangen
- Gängige Anwendungsgebiete sind Impfstoffentwicklung, personalisierte Medizin und Gentherapie
- Lipid Nanopartikel machen sich einen körpereigenen Transportmechanismus zu Nutze, wodurch die Technologie kaum gesundheitliche Risiken besitzt
- Die Herstellung erfolgt in mikrofluidischen Systemen
- Wyatt Technology Lichtstreudetektoren bieten signifikante Vorteile bei der Bestimmung von kritischen Qualitätsattributen von Lipid Nanopartikeln
Weitere Fragen und Antworten zu Lipid Nanopartikel
Was sind Lipid Nanopartikel?
Lipid Nanopartikel sind kugelförmige Nanopartikel, die aus festen und flüssigen Lipiden bestehen und durch Emulgatoren stabilisiert werden. Sie haben eine Größe von 10-1000 nm und werden zum Transport von Wirkstoffen verwendet.
Wie sind Lipid Nanopartikel aufgebaut?
Lipid Nanopartikel sind kugelförmige Nanopartikel, bestehend aus festen und flüssigen Lipiden sowie Emulgatoren. Sie umhüllen Wirkstoffmoleküle und schützen sie auf dem Transport in die Zelle, um Krankheiten bekämpfen zu können.
Warum sind Lipid Nanopartikel wichtig?
Lipid Nanopartikel ermöglichen die effektive Lieferung von Wirkstoffen direkt in Körperzellen und eröffnen dadurch neue Möglichkeiten zur Behandlung von Erbkrankheiten oder Krebs. Sie sind auch die Grundlage von weit verbreiteten Covid-19-Impfstoffen.
Wie werden Lipid Nanopartikel hergestellt?
Lipid Nanopartikel werden durch die Verwendung von mikrofluidischen Systemen hergestellt, indem ein Gemisch aus vier Lipidbausteinen und dem Wirkstoff zusammengeführt wird. Die Zusammensetzung des Lipidgemisches bestimmen die Eigenschaften der Partikel.
Sind die Nanopartikel der mRNA-Impfstoffe gefährlich?
Nein, die Lipid-Nanopartikel in mRNA-Impfstoffen sind nicht gefährlich. Sie bestehen aus Fett und ermöglichen eine effektive Immunantwort gegen COVID-19. Studien haben gezeigt, dass sie sicher und gut verträglich sind.