NanoBrain

Es handelt sich um ein Kooperationsprojekt der Universitätsklinik für Neurologie der Medizinischen Universität Graz und des nationalen Partners JSW Life Sciences mit dem Institut für Physiologische Chemie und Pathobiochemie und Molekulare Neurodegeneration am Medizinischen Zentrum der Johannes-Gutenberg- Universität Mainz, Deutschland, dem Fraunhofer Institut für Biomedizinische Technik in St. Ingbert, Deutschland, und dem Physics Department an der Bar Ilan Universität, Israel. Zielsetzung ist die Entwicklung von neuen Nanopartikel-basierten Methoden zum Transport von Alzheimer-Medikamenten durch die Blut-Hirn-Schranke. Das Konsortium wird in vitro Modelle der Blut-Hirn-Schranke entwickeln, um die Kinetik des rezeptor-mediierten Nanopartikel-Transports zu studieren. Solche kinetischen Daten sind erforderlich, damit das in vitro Modell für den Transport von Alzheimer-Therapeutika, wie non-steroidalen entzündungshemmenden Substanzen, welche auf Nanopartikel geladen werden, Anwendung finden kann. Dem Nachweis des Transports der Substanzen folgen Messungen der Substanzfreisetzung und der biologischen Aktivität der freigesetzten Substanzen in der Gewebskultur. Die Transportmechanismen werden auf Einzelzellniveau unter Anwendung mikrooptischer Methoden untersucht. Im Forschungsteil, der an der Medizinischen Universität Graz durchgeführt wird, werden wir zusätzlich gemeinsam mit dem nationalen Forschungspartner in vivo Methoden zum Nachweis des Nanopartikel- Transports im Tiermodell entwickeln. Wir werden MRT-Techniken, die für den in vivo Zugang geeignet sind, verwenden, da sie nicht-invasiv sind und hohe räumliche Auflösung erlauben. Nanopartikel erzeugen selbst keinen intrinsischen MR-Kontrast, daher müssen sie mit paramagnetischen Teilchen, wie Gadolinium, ultrakleinen paramagnetischen Eisenoxiden oder superparamagnetischen Eisenoxiden markiert werden, um hohen Kontrast zu erzeugen. Die MR-Bildgebung wird seriell durchgeführt und wir werden nicht-toxische Zusammensetzungen, wie sie auch in der Klinik Anwendung finden, einsetzen. Alle Markierungsvorgänge werden zuerst im Gel von Rinderserum-Albumin, welches die T1- und T2-Relaxationsvorgänge in Hirngewebe ideal imitiert, getestet. Das Einbetten unterschiedlicher Volumina und Konzentrationen markierter Nanopartikel in das Gel mit Bestimmung der entsprechenden Relaxationsparameter ist Voraussetzung für die Optimierung der Imagingsequenzen im Mausmodell. Diese Sequenzen werden Maße der Nanopartikelkonzentrationen in unterschiedlichen Hirnregionen basierend auf Veränderungen von T2*- und Phasenwerten liefern. Die MRT-Protokolle werden vor Behandlung, direkt nach der ersten Therapie, und nach 2, 4, und 6 Monaten durchgeführt. Diese seriellen Messungen werden erlauben, den zeitlichen Verlauf der lokaler Verteilung und Akkumulation der markierten Nanopartikel im Gewebe zu erfassen. Zusätzlich werden Untersuchungen zu mikrostrukturellen Gewebsveränderungen in grauer und weißer Substanz, welche durch den Nanopartikel-gebundenen gamma-Sekretase-Modulator verursacht werden, mittels Diffusionstensor- und Magnetisationstransfer-Imaging durchgeführt.

Alzheimer stellt die häufigste Form der Demenz dar und ist zudem die häufigste altersassoziierte Erkrankung des Gehirns. Derzeit gibt es keine kausale Therapie für Alzheimer, gleichzeitig sind weltweit aber über 30 Millionen Menschen davon betroffen. Einige vielversprechende Therapieansätze sind offensichtlich daran gescheitert, dass die Arzneistoffe nicht oder nur unzureichend die Blut-Hirn-Schranke überwinden können. Die Blut-Hirn-Schranke stellt eine physiologische Barriere zwischen Blutkreislauf und Zentralnervensystem dar und dient dazu, die Milieubedingungen im Gehirn aufrechtzuhalten und das Gehirn vor gefährlichen Substanzen zu schützen. Das Gesamtprojekt hatte nun zum Ziel, im Forschungsverbund Wege zu finden wie man effektiver Wirkstoffe gegen Alzheimer durch eine entsprechende Verpackung in Nanopartikel mit einem Durchmesser von 200-300 Nanometer über die Blut-Hirn-Schranke schleusen könnte. Eine besondere Bedeutung kommt dabei der Magnetresonanztomografie (MRT) zu. Sie erlaubt eine nichtinvasive Darstellung des Gehirns und gleichzeitig auch eine Verfolgung der Nanopartikel. Die Nanopartikel selber besitzen jedoch keine magnetischen Eigenschaften und können daher auch nicht direkt dargestellt werden. Im Laufe des vorliegenden Teilprojektes wurden daher unterschiedliche Möglichkeiten und Verfahren getestet, die Nanopartikel so magnetisch zu markieren dass sie für die MRT erfassbar werden. Nach umfangreichen Untersuchungen gelangten schließlich kleine Partikel aus Eisenoxid (Magnetit) zum Einsatz, welche stark paramagnetisch sind und damit auch bei kleinen Konzentrationen messbaren Effekt in der MRT bewirken. In Untersuchungsserien bei Ratten konnten wir zeigen, dass NP basierend auf humanem Serumalbum (HSA) ohne weitere Modifikationen über die Blut-Hirn-Schranken gelangen können. Die NP wurden dabei von unseren Projektpartnern entwickelt. Der Vorteil der HSA- NP liegt im Umstand, dass diese bioverträglich sind und im aufgelösten Zustand im Gewebe nicht toxisch wirken. Im Rahmen des Teilprojektes wurde dabei eine neue histogrammbasierende Nachweismethode entwickelt, welche die Detektion von sehr geringen NP-Konzentrationen ermöglicht. Die Beobachtungen mittels MRT konnten nach Hirnentnahme aufgrund der Autofluoreszenz der NP mittels histologischer Untersuchungen bestätigt werden. Die gewonnen Erkenntnisse stellen nun eine Basis für die Weiterentwicklung der NP dar, wobei durch Vektorisierung (Einschleusung über Vesikel durch spezielle Rezeptoren) therapeutisch wirksame Konzentration im Hirngewebe erreicht werden sollen. Eine Besonderheit beim vorliegenden Projekt war die Verwendung eines klinischen Kernspintomografen, welcher eine geringere Magnetfeldstärke als dedizierte Tierscanner besitzt. Die im Laufe des Projektes entwickelten Pulssequenzen und Analysetechniken können dadurch nun auch bei zukünftigen translationalen Forschungsarbeiten beim Menschen eingesetzt werden.