Nichtinvasive in-vivo Charakterisierung von Nano-Wirkstoffen

 

Kunjachan S, Gremse F, Theek B, Koczera P, Pola R, Pechar M, Etrych T, Ulbrich K, Storm G, Kiessling F, Lammers T.

Non-invasive optical imaging of nanomedicine biodistribution. ACS Nano 7: 252-262 (2013)

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23067565

Als Nanomedizin bezeichnet man 1-100 Nanometer große Wirkstoffträger, die zur Verbesserung der Pharmakokinetik und Körperverteilung von i.v. verabreichten (Chemo-) Therapeutika entwickelt werden. Durch eine erhöhte Ablagerung im pathologischen Gewebe, und gleichzeitiger Verringerung der Einlagerung im gesunden Gewebe, verbessert der Einsatz von Nanomedizin das Ungleichgewicht von Effektivität und Toxizität systemischer (Chemo-) Therapien.

In der Nanomedizin-Forschung wurde in den vergangenen Jahren mit großem Aufwand an optischen Bildgebungssystemen gearbeitet, um die Körperverteilung und zielspezifische Anreicherung von Wirkstoffträgern zu untersuchen. Durch nichtinvasive Aufnahme der Körperverteilung, Analyse der Tumoranreicherung, Darstellung und Quantifizierung der Wirkstofffreisetzung sowie das Monitoring der Effektivität, könnten diese enorm helfen die Eigenschaften von Nano-Wirkstoffträgern zu verstehen und zu verbessern. Jedoch konnte die optische Bildgebung für longitudinale Messungen der Körperverteilung bisher nicht eingesetzt werden. Dabei sind vor allem die geringe Penetrationstiefe des Lichts in Geweben, sowie Probleme mit der Allokation des Signals in tief liegenden Organen große Probleme.

In der aktuellen Ausgabe von ACS Nano beschreiben Sijumon Kunjachan, Felix Gremse und weitere Mitarbeiter des Instituts für Experimentelle Molekulare Bildgebung (ExMI) eine neue Form der Hybridbildgebung. Die Kombination von Computertomographie (CT) und molekularer Fluoreszenztomographie (FMT) ermöglicht die oben erwähnten Schwachpunkte zu überwinden. Sie zeigen mit Hilfe von Fluoreszenz-markierten, polymeren Nano-Wirkstoffträgern dass CT-FMT eine nichtinvasive Darstellung und Quantifizierung fluoreszierender Nanomedizin nicht nur in Tumoren, sondern auch anderen Geweben, wie z.B. Leber, Niere, Blase, Herz und Lunge, ermöglicht. 

Somit wird hier gezeigt, dass die Kombination von anatomischen CT und molekularen FMT Daten die nichtinvasive Bildgebung der Körperverteilung von Nanomedizin ermöglicht, und dadurch ein hohes Potenzial für die Medikamentenforschung in großen Maßstäben aufweist.

 

Abstract:

Nanomedicines are 1-100 nanometer-sized carrier materials designed to improve the pharmacokinetics and the biodistribution of i.v. administered (chemo-) therapeutic agents. By delivering more drug molecules to the pathological site, and by preventing them from accumulating in potentially endangered healthy tissues, nanomedicines are able to improve the balance between the efficacy and the toxicity of systemic (chemo-) therapeutic interventions.

In recent years, ever more efforts in the nanomedicine field have employed optical imaging techniques for monitoring the biodistribution and the target site accumulation of carrier materials. Imaging can be of tremendous help for better understanding and improving the properties of nanomedicines, enabling e.g. non-invasive biodistribution and tumor accumulation analyses, visualization and quantification of drug release, and monitoring of treatment efficacy. Thus far, however, the longitudinal assessment of nanomedicine biodistribution using optical imaging has been impossible. This is because of problems related to the limited penetration of light in tissues, as well as to the inability to accurately allocate fluorescent signals to non-superficial organs.

In the current issue of ACS Nano, Sijumon Kunjachan, Felix Gremse and colleagues, from the Department of Experimental Molecular Imaging (ExMI), report a novel hybrid imaging technique to overcome this shortcoming, based on the combination of computed tomography (CT) and fluorescence molecular tomography (FMT). Using near-infrared-fluorophore labeled polymeric drug carriers, they convincingly show that CT-FMT enables the non-invasive visualization and quantification of the accumulation of fluorophore-labeled nanomedicines not only in tumors, but also in non-superficial tissues, such as liver, kidney, bladder, heart and lung.

These findings show that combining anatomical CT with molecular FMT facilitates the non-invasive assessment of nanomedicine biodistribution, and they indicate they hybrid CT-FMT might be a valuable tool for high-throughput drug delivery research.