Ausbreitung von Medikamenten in der Lunge: Genauer Blick mit Röntgen und Fluoreszenz 

Forschende des Helmholtz Zentrums München und der Munich School of BioEngineering (MSB) an der Technischen Universität München (TUM) haben eine Kombination mehrerer bildgebender Verfahren vorgestellt, mit der sie präzise zeigen können, wie sich eingeatmete Medikamente in der Lunge einer Maus verteilen und wie sie vom Gewebe aufgenommen werden.

Die Ergebnisse solcher Untersuchungen sollen helfen, neue hochwirksame und nebenwirkungsar-me Arzneimittel gegen Lungenkrankheiten beim Menschen zu entwickeln. Bei den Messungen an der MSB kam die Munich Compact Light Source (MuCLS) – eine einzigartige kompakte Be-schleunigeranlage zur Erzeugung von Röntgenlicht – zum Einsatz.

Lungenkrankheiten wie die chronisch-obstruktive Lungenerkrankung (COPD), Asthma oder In-fektionen lassen sich seit Langem effizient mit Medikamenten behandeln, die von Patienten ein-geatmet werden. In Zukunft sollen weitere Arzneimittel auf diese Weise verabreicht werden – zum Beispiel Mittel gegen Krebs, bei denen der Wirkstoff in Nanopartikeln gebunden ist. „Solche Nanopartikel-basierten Medikamente haben zahlreiche Vorteile,“ erklärt Otmar Schmid, Arbeits-gruppenleiter am Institut für Lungenbiologie des Helmholtz Zentrums München. „Zum Beispiel werden die Wirkstoffe nicht so leicht enzymatisch abgebaut, weil sie in dem Nanopartikel einge-bettet sind. Außerdem lassen sich die Nanopartikel gezielt zu den erkrankten Zellen lenken, wenn man an ihnen Liganden befestigt, die an diese Zellen andocken.“ Damit könnte die Wirkung des Arzneimittels besser auf das erkrankte Gewebe fokussiert werden, was die Nebenwirkungen deutlich reduzieren würde.

Forschende aus Schmids Arbeitsgruppe haben nun zusammen mit Kollegen an der Munich School of BioEngnineering (MSB) der Technischen Universität München (TUM) eine Kombination von bildgebenden Verfahren vorgestellt, mit denen sich im Detail zeigen lässt, wie die Medikamen-tenverteilung in der Lunge einer Maus davon abhängt, auf welche Weise die Medikamente verab-reicht worden sind. Die Ergebnisse solcher Untersuchungen sollen wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung von Lungen-Medikamenten für Menschen liefern.
Lunge am Beschleuniger gefilmt
Die Forschenden der TUM haben dabei zwei Verfahren beigetragen, die Röntgenlicht nutzen. Mit einem davon konnten sie einen Film erstellen, der zeigt, wie sich bei einer Maus eingeatmete Medikamente mit der Zeit von der Luftröhre aus in der Lunge ausbreiten. Mit dem zweiten haben sie dreidimensionale Bilder der gesamten Lunge erzeugt. Für die Untersuchung verabreichten sie statt eines echten Medikaments eine Lösung mit Nanopartikeln, die aber keinen Wirkstoff enthiel-ten. Dieser mischten sie zudem ein iodhaltiges medizinisches Kontrastmittel bei, das in Röntgen-bildern deutlich sichtbar wird.

Den Film stellten die Forschenden aus Röntgenbildern der Mauslunge zusammen, die sie immer zum gleichen Zeitpunkt im Atemzyklus aufgenommen hatten. „Wir haben bei den Aufnahmen den Propagationseffekt der Röntgenstrahlen ausgenutzt und konnten so auch die Gewebestruktu-ren der Lunge deutlich sichtbar machen,“ erklärt Regine Gradl, die die Messungen an der MSB im Rahmen ihrer Doktorarbeit am Lehrstuhl für Biomedizinische Physik der TUM durchgeführt hat. „In gewöhnlichen Röntgenbildern hätte man fast nur den Brustkorb und das mit Iod markier-te Kontrastmittel gesehen“. Beim Propagationseffekt nutzt man aus, dass die Röntgenstrahlen auf ihrem Weg durch das Untersuchungsobjekt zum Teil geringfügig abgelenkt werden und so ver-schiedene Strahlen hinter dem Objekt interferieren können. Dank dieser Interferenzen werden im Röntgenbild zusätzliche Details erkennbar. Dazu gehören insbesondere Grenzflächen von Weich-gewebe – zum Beispiel zwischen Luft und Lungengewebe.

Bis vor kurzem waren solche Untersuchungen nur an Synchrotronlichtquellen möglich, aufwendi-gen Beschleunigeranlagen mit oftmals mehreren hundert Metern Umfang, denn nur diese lieferten Röntgenlicht, das intensiv und für die Interferenz hinreichend kohärent ist. Seit wenigen Jahren erzeugt mit der Munich Compact Light Source (MuCLS) erstmals eine Anlage, die in ein Labor üblicher Größe passt, Licht mit diesen Eigenschaften. Dieses weltweit einzigartige Mini-Synchrotron wird im Hauptgebäude der MSB in Garching betrieben und ist nur rund 5 mal 3 mal 2 Meter groß. Es ermöglicht Forschern, umfangreiche Untersuchungen mit intensivem, kohärente-rem Röntgenlicht zeitlich flexibel durchzuführen. „An Synchrotronlichtquellen ist die Nachfrage nach Messzeit sehr groß, so dass Forschende ihre Experimente sehr lang im Voraus planen und in wenigen Tagen durchführen müssen“, betont Gradl. An einer üblichen Laborröntgenquelle wären die Untersuchungen in dieser Form hingegen gar nicht möglich gewesen.

Fluoreszenz zeigt genaue Verteilung

Die Wissenschaftler am Helmholtz Zentrum München konnten anschließend mit Hilfe von Fluo-reszenz-Verfahren an der explantierten Lunge zeigen, wie sich die eingeatmeten Partikel auf die einzelnen Zellen der Lunge verteilt hatten. Für diese Untersuchung waren fluoreszierende Nano-partikel verwendet worden. Werden diese mit Licht angeregt, leuchten sie und zeigen so, wo sich die Lösung in der Lunge befindet. Besonders präzise Ergebnisse konnten die Forschenden dabei mit der sogenannten Lichtblattfluoreszenzmikroskopie (Lightsheet Fluorescence Microscopy [LSFM]) erzielen, bei der jeweils nur eine sehr dünne Schicht der Probe beleuchtet wird, dadurch aber Schicht für Schicht ein sehr genaues dreidimensionales Gesamtbild der Lunge und darin lokalisierten Nanopartikel aufgenommen wird.

Einzigartige Kombination

„Mit der Kombination von Röntgen- und Fluoreszenzverfahren können wir erstmals sowohl die Dynamik als auch die Endverteilung) der Verabreichung von Lungenmedikamenten beobachten,“ betont Schmid. Damit sollte es in Zukunft zum Beispiel möglich werden, zu bestimmen, wie ge-nau nanopartikelbasierte Medikamente das Zielgewebe erreichen. Aber auch schon die ersten Versuche haben wichtige Erkenntnisse geliefert. Die Forschenden haben hier zwei Methoden verglichen, mit denen Medikamente in präklinischen Studien in die Lunge verabreicht werden: die Inhalation von Tröpfchen und die Instillation von Flüssigkeiten, bei der die Lösung über einen Tubus durch die Trachea in die Lunge injiziert wird. Die Forschenden konnten dabei zeigen, wie es möglich ist, dass sich die instillierte Flüssigkeit bis in die feinsten Verästelungen der Lunge verteilt. „Sie sammelt sich zuerst in den oberen Atemwegen, bis sie diese blockiert, und dann beim nächsten Atemzug als Spray in der ganzen Lunge verteilt wird“, erklärt Schmid. „Anders als bei der Inhalation erreicht sie dabei aber nicht die tiefsten Bereiche der Lunge“.

Bildunterschrift: 

Links: Die gesamte Lunge und die Verteilung einer Suspension aus iodhaltigen Kontrastmittel und Nanopartikeln, die in der Untersuchung statt eines Medikaments verabreicht wurde. Das Bild wurde in vivo mithilfe einer Kombination von konventioneller Röntgen-Bildgebung und Phasen-Kontrast-Bildgebung aufgenommen. Dank der besonderen Eigenschaften der Phasen-Kontrast-Bildgebung ist auch das Weichgewebe deutlich sichtbar. (Foto: © R. Gradl, F. Pfeiffer/TUM; Veröffentlicht in: L. Yang et al., SMALL, DOI: 10.1002/smll.201904112). Rechts: Ausschnitt aus einem Bild, das mithilfe von Lichtblattfluoreszenzmikroskopie (Lightsheet Fluorescence Microscopy, LSFM) erstellt wurde. Es zeigt die Verteilung der Nanopartikel bis auf Ebene einzelner Zellen. (rot: Nanopartikel, grün: Autofluoreszenz des Gewebes). Foto: © Lin Yang, Otmar Schmid/Helmholtz Zentrum München. (Veröffentlicht in: L. Yang et al., SMALL, DOI: 10.1002/smll.201904112)