Mikronadeln verbessern Lichtverteilung der PDT bei Hauttumoren

Lösliche Mikronadeln könnten die photodynamische Therapie (PDT) zur Behandlung von Hautkrebs effizienter machen, indem sie das Licht im Gewebe gleichmäßiger verteilen.

Die PDT nutzt ein photosensitives Arzneimittel und eine spezifische Lichtwellenlänge, um Tumorzellen zu zerstören. Die Behandlung ist zu einer wichtigen Option für bestimmte Hauttumoren geworden, weil sie erkranktes Gewebe gezielt angreifen kann und zugleich die Schädigung der umgebenden Haut begrenzt.

Bei der PDT müssen sowohl das Arzneimittel als auch das Licht denselben Gewebebereich erreichen. Während topisch applizierte Wirkstoffe oftmals Schwierigkeiten haben, tief in das Gewebe einzudringen, verliert Licht bei der Passage durch Gewebe an Intensität, sodass die Behandlung auf relativ oberflächliche Läsionen begrenzt bleibt.

Lösliche Mikronadeln, die die Arzneistoffapplikation durch die Haut verbessern, könnten sich auch dazu eignen, Licht im Gewebe effizienter zu verteilen, wie die Ergebnisse einer in „Journal of Biomedical Optics“ publizierten Studie zeigen. Sie bestehen aus bioabbaubaren Polymeren und lösen sich nach der Insertion allmählich auf.

Frühere Untersuchungen zeigten, dass mit 5-Aminolävulinsäure beladene Mikronadeln die Behandlung tiefer und gleichmäßiger in Hauttumoren ermöglichen als herkömmliche Cremeformulierungen. Dies führte zu einer homogeneren Bildung der lichtaktivierten Verbindung, die für die Abtötung von Tumorzellen nach Belichtung verantwortlich ist.

Mikronadeln verteilen Laserlicht

In ihren aktuellen Untersuchungen fertigten die Forschenden Arrays mit Hunderten pyramidenförmiger Mikronadeln an und beleuchteten sie mit einem grünen Laser. Indem sie das aus den Arrays unter verschiedenen Winkeln austretende Licht fotografierten und die Bilder analysierten, kartierten sie, wie die Mikronadeln den Weg des einfallenden Lichtes veränderten.

Die Experimente zeigten, dass die winzigen Strukturen wie mikroskopische Lichtverteiler funktionierten. Anstatt das Licht nur in einer geraden Linie durchzulassen, lenkten die Mikronadeln es durch eine Kombination aus inneren Reflexionen und Streuung in viele Richtungen um. Dadurch wurde das aus den Nadelspitzen austretende Licht wesentlich gleichmäßiger verteilt als das Licht, das durch die Zwischenräume zwischen den Nadeln hindurchtrat.

Das aus den Mikronadelspitzen austretende Licht behielt über eine Bandbreite von Betrachtungswinkeln eine ähnliche Intensität bei, was darauf hinweist, dass die Strukturen ein nahezu gleichförmiges, multidirektionales Beleuchtungsmuster erzeugen. Nach Ansicht der Forschenden könnte eine solche Lichtverteilung besonders in biologischem Gewebe von Nutzen sein, in dem konventionelle Oberflächenbeleuchtung häufig dazu führt, dass bestimmte Regionen unterbelichtet bleiben.

Das Team entwickelte außerdem ein mathematisches Modell, um zu untersuchen, wie Tausende von Mikronadelspitzen Licht im Gewebe verteilen könnten. Ihre Analyse legt nahe, dass dieses breitere Streumuster den typischerweise bei standardisierter gerichteter Beleuchtung beobachteten raschen Intensitätsabfall des Lichtes verringern könnte. Praktisch bedeutet dies, dass ein größerer Anteil des therapeutischen Lichtes Areale erreichen könnte, die sich mit konventionellen Bestrahlungsansätzen nur schwer beleuchten lassen.

Bedeutung für die photodynamische Therapie 

Für die PDT könnte dies wichtig sein. Ein erfolgreicher Therapieerfolg hängt nicht nur von der Menge des applizierten Lichtes ab, sondern auch davon, wie gleichmäßig dieses Licht den photosensitiven Wirkstoff innerhalb der Läsion aktiviert. Eine inhomogene Beleuchtung kann Gewebebereiche zurücklassen, die unzureichend behandelt sind, und so die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass Tumorzellen verbleiben. Indem sie dazu beiträgt, Licht gleichmäßiger zu verteilen, könnte die Anwendung von Mikronadeln die Aktivierung der Therapie in einem größeren Gewebevolumen verbessern.

Die Technologie könnte potenziell auf zwei Arten eingesetzt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, zunächst mit dem Arzneimittel beladene Mikronadeln zu verwenden und anschließend ein zweites Mikronadel-Array aufzubringen, das speziell zur Verbesserung der Lichtapplikation konzipiert ist. Eine andere Option wäre ein einziges Mikronadelsystem, das beide Funktionen gleichzeitig erfüllt, indem es den Wirkstoff appliziert und zugleich Licht leitet und umverteilt.

Die Forschenden weisen darauf hin, dass ihre optischen Messungen in einem vereinfachten Setup unter Laborbedingungen und nicht in lebendem Gewebe durchgeführt wurden. Weitere Untersuchungen in Gewebemodellen und präklinischen Systemen seien daher erforderlich, um zu bestimmen, in welchem Ausmaß der Effekt der Lichtumverteilung die Behandlung unter realen Bedingungen verbessert. (ins)