Kleine Partikel, smarte Wirkung: Zielgerichteter Wirkstofftransport mit Nanopartikeln

In diesem Artikel wird eine Versuchsreihe zum Thema zielgerichteter Wirkstofftransport (Targeted Drug Delivery) präsentiert und gezeigt, wie das Themenfeld der Nanomedizin in den Chemieunterricht der Oberstufe integriert werden kann. Auf den ersten Blick mag das Forschungsgebiet abstrakt erscheinen, ermöglicht aber beim genaueren Hinsehen hervorragende Chancen für einen aktuellen und innovativen Chemieunterricht. Mit einfachen und ungefährlichen Chemikalien kann im Schülerexperiment – von der Synthese der Ausgangsmaterialien über die Herstellung und Beladung der Nanopartikel bis zur gezielten Wirkstofffreisetzung – der gesamte Prozess experimentell nachvollzogen werden.

Zusammenfassung

In der vorgestellten Unterrichtseinheit bekommen Schülerinnen und Schüler Einblicke in das Themenfeld der Nanomedizin mit dem Schwerpunkt „zielgerichteterer Wirkstofftransport“. Der Einstieg erfolgt problemorientiert, indem die Herausforderungen und Schwierigkeiten der herkömmlichen systemischen Wirkstoffabgabe aufgezeigt werden: Starke Nebenwirkungen außerhalb des erkrankten Organs sowie eine geringe Wirkeffektivität am Zielort. Demgegenüber steht das Potenzial des Einsatzes von Nanocarriern in der modernen Medizin und die damit verbundenen Chancen für eine gezielte personalisierte Behandlung. Als geeignete Ausgangsmaterialien für die Kunststoffteilchen im Nanomaßstab werden Polymere – basierend auf ihren bekannten Eigenschaften – begründet. Die Lernenden synthetisieren selbstständig das Polymer Poly(δ -valerolacton) (Pδ VL) ausgehend vom Monomer δ -valerolacton über eine Ringöffnungspolymerisation. Anschließend liegt der Fokus auf der Formulierung der Nanocarrier. Ziel ist es, dass diese die Wirkstoffe einkapseln, im Körper transportieren, vor vorzeitigem Abbau schützen und schließlich am erkrankten Organ gezielt freisetzen. Die Schülerinnen und Schüler stellen - ausgehend von dem synthetisierten Polymer Pδ VL – selbst Nanocarrier her und beladen sie mit dem Wirkstoffersatz Nilrot. Als Methode werden das Lösungsmittelverdrängungsverfahren über Eintropfen der Polymerlösung in Wasser angewandt, sowie die chemischen Hintergründe kennengelernt. Abschließend liegt der Fokus auf der gezielten Freisetzung als Antwort auf spezifische Stimuli. Hierbei erfolgt die pH-Wert-abhängige Freisetzung im Schülerexperiment.

Summary

In the presented teaching unit, students gain insights into the field of nanomedicine with focus on targeted drug delivery. The introduction is problem-oriented, highlighting the challenges and limitations of conventional systemic drug delivery: severe side effects in non-diseased organs and low therapeutic efficacy at the target site. In contrast, the potential of using nanocarriers in modern medicine is explored, along with the associated opportunities for personalized and precise treatment. Polymers are identified as suitable starting materials for nanoscale plastic particles, based on their known properties. Students independently synthesize the polymer poly(δ -valerolactone) (Pδ VL), started from the monomer δ -valerolactone via a ring-opening polymerization. The focus then shifts to the formulation of nanocarriers, which are designed to encapsulate the cargos, transport within the body, protect from premature degradation, and finally release them at the diseased organ. Using the synthesized polymer Pδ VL as starting material, students produce nanocarriers and load them with the model drug Nile Red. The solvent displacement method involving dropwise addition is applied, and the underlying chemical principles are explained. Finally, the focus is placed on stimulus-responsive release. In a student experiment, pH-dependent release is demonstrated as an example.

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