Universität Regensburg

Achim Göpferich

Anschrift:

Leistungsprofil:

• <H4>Biomaterialien</H4> Biomaterialien spielen bei einer Reihe medizinischer Applikationen eine herausragende Rolle. Unter Biomaterialien versteht man Substanzen, die im menschlichen oder tierischen Körper als Ersatzstoffe für körpereigene Materialien eine bestimmte Funktion übernehmen. Beispiele hierfür sind Metalle oder Polymere, wie man sie z.B. bei Totalendoprothesen im Bereich des Hüftgelenks verwendet. Ein Nachteil vieler Biomaterialien, die nur vorübergehend im Körper eingesetzt werden, wie z.B. Nägel oder Platten im Bereich der Chirurgie, besteht darin, daß sie nach der Applikation entfernt werden müssen. Aus diesem Grunde setzte zu Beginn der 70er Jahre die intensive Suche nach bioabbaubaren Materialien ein, die sich während der Applikation in körperverträgliche Bruchstücke abbauen. Als Beispiele für deren Anwendung seien chirurgisches Nahtmaterial oder abbaubare Arzneistoffträger genannt. Die erfolgreiche Anwendung bioabbaubarer Polymere hat zu einer intensiven Suche nach neuen synthetischen Materialien geführt, aus der eine Vielzahl verschiedener Polymerklassen resultierte, wie z.B. Poly(a-hydroxyester), Poly(b-hydroxyester), Polyanhydride, Polycyanoacrylate und viele andere. Besonderes Kennzeichen dieser Polymere ist ihre geringe Löslichkeit in wässrigen Medien, die sich erst durch den Polymerkettenabbau, d.h. die Hydrolyse zu niedermolekularen Oligomeren oder Monomeren, verbessert und damit zur Erosion dieser Materialien führt. Verschiedene bioabbaubare Polymere unterscheiden sich vor allem durch die Geschwindigkeit von Polymerkettenabbau und Erosion. Dies ist für viele Anwendungen von Bedeutung, bei denen sich der Polymerkettenabbau über einen definierten Zeitraum erstrecken muß, wie zum Beispiel bei der Freigabe von Arzneistoffen. Von herausragender Bedeutung für synthetische, partialsynthetische und natürliche bioabbaubare Polymere ist die Verträglichkeit mit dem biologischen System, in welches sie eingebracht werden. Für Anwendungen im menschlichen oder tierischen Organismus dürfen einzelne Bauteile, wie z.B. Oligomere oder Monomere, nicht toxisch sein, und die Polymere dürfen höchstens eine moderate Entzündungsreaktion im Gewebe auslösen. <p></p>
• <H4>Drug Delivery</H4> Die pharmakologischen Eigenschaften von Arzneistoffen stehen im Zentrum einer jeden Pharmakotherapie. Häufig erlauben es ihre physikochemischen Eigenschaften aber nicht, sie mit Hilfe konventioneller Arzneiformen zu applizieren. Aufgrund mangelnder Stabilität, unzureichender Löslichkeit oder ungünstiger Verteilung im Organismus kann ein therapeutischer Effekt vollständig ausbleiben. In diesen Fällen kann es helfen die Arzneiformen zu entwickeln, die in der Lage sind, den Wirkstoff kontrolliert freizusetzen. Die Bandbreite von entsprechenden Arzneiformen ist sehr groß, am Lehrstuhl werden aber insbesondere Arzneiformen für parenteralen und lokalen Einsatz entwickelt. <p></p>
• <H4>Verarbeitung von Problemarzneistoffen (insbes. Proteine und Peptide) zu Arzneiformen</H4> Proteine und Peptide gewinnen, nicht zuletzt durch die beträchtlichen Fortschritte in der Gentechnologie, als Arzneistoffe zunehmend an Bedeutung. Viele dieser Substanzen entziehen sich jedoch einem optimalen Einsatz durch kurze Halbwertszeiten in Plasma und Gewebe. Bei Therapieformen, die eine kontinuierliche Applikation des Arzneistoffs über Tage bis Wochen erfordern, stellt die Injektion oder Infusion der Substanzen eine zeit- und kostenintensive Behandlung dar. Dies läßt sich durch Verarbeitung von Proteinen und Peptiden zu parenteralen Depotarzneiformen umgehen, die durch ihre kontinuierliche Freigabe therapeutische Blutspiegel über längere Zeit aufrecht erhalten. Vor allem bioabbaubare Polymere in Form von Mikro- oder Nanopartikeln finden Verwendung zur Herstellung solcher Arzneiformen. Am Lehrstuhl für Pharmazeutische Technologie werden Systeme entwickelt, die einerseits eine kontrollierte Freigabe der Substanzen gestatten und darüber hinaus die Arzneistoffe ausreichend stabilisieren. <p></p>
• <Die Verteilung von Nanopartikel in Geweben und Organen> Nanopartikel unterliegen aufgrund ihrer Größe und physikochemischen Eigenschaften einer eingeschränkten Verteilung im Organismus. Dies stellt im Rahmen der Therapie ein gravierendes Handicap dar. Eine Ausnahme sind Tumore, in die Nanopartikel über sog. fenesterierte Endothelien eindringen können. In den malignen Geweben entstehen solche Öffnungen durch pathologische Veränderungen von Blutgefäßen, insbesondere von Kapillaren. Fenestrierte Endothelien kommen aber auch unter physiologischen Bedingungen in einer Reihe von Geweben vor, so zum Beispiel in den Glomeruli der Niere oder in der Aderhaut der Retina. In beiden Fällen könnte die Therapie einer Reihe von Erkrankungen enorm von der Fähigkeit therapeutischer Nanopartikel, den Blutkreislauf gezielt verlassen zu können, profitieren. Ziel unserer Arbeiten ist es zu verstehen, welche Eigenschaften es Nanopartikeln nach parenteral Applikation erlaubt nicht-maligne Gewebe zu erreichen.<p></p>
• <Die Interaktionen von Materialien mit Zellen und Geweben> Wechselwirkungen zwischen Zellen und Geweben auf der einen und Materialien auf der anderen Seite spielen eine herausragende Rolle für zahlreiche pharmazeutische und biomedizinische Anwendungen. Gezielte Interaktionen kann man sich beispielsweise zu Nutze machen, um das Verhalten von Zellen im Rahmen ihrer Kultivierung oder für Anwendungen des Tissue Engineerings zu kontrollieren. Während die Materialoberflächen in diesem Fall häufig größer dimensioniert sind als die Zelloberfläche, spielen gezielte Wechselwirkungen aber auch eine herausragende Rolle im umgekehrten Fall nämlich bei der Interaktion von Nanomaterialien mit Zellen und Geweben. In diesem Zusammenhang werden im Arbeitskreis insbesondere Wechselwirkungen von funktionalisierten Nanopartikeln mit potentiell therapeutisch relevanten Ziel-Zellen untersucht. Im Rahmen dieser Arbeiten sind insbesondere Mechanismen der Bindung von Nanopartikeln an Zellen und deren zelluläre Aufnahme von Interesse. Dabei ist es von herausragender Bedeutung, Kontrolle über die Prozesse und Mechanismen der Zellanbindung und den Verbleib von Nanopartikeln in der Zelle zu erhalten. Dazu kommen unter anderem bildgebende Verfahren zum Einsatz. Ziel ist es, zu verstehen, wie Nanopartikel aufgrund ihrer physikochemischen Eigenschaften mit Zellen interagieren und welche Strukturen auf zellulärer Seite hierbei eine Rolle spielen, um Rückschlüsse auf ihren Verbleib im biologischen System ziehen zu können.<p></p>

• <H4>Entwicklung virusmimetischer Nanopartikel</H4> Viren und medizinische Nanopartikel versuchen beide Moleküle zu spezifischen Zielzellen zu transportieren, um dort einen biologischen Effekt auszulösen. Bei genauerem Vergleich zeigt sich aber, dass Nanopartikel erheblich weniger effizient sind als ihr ‚natürliches‘ Pendant. Viren haben im Gegensatz zu Nanopartikeln die Fähigkeit zwischen Zellen zu unterscheiden indem sie eine Reihe logischer Entscheidungen treffen und verfügen über eine 10- bis 100-fach höhere Affinität für ihre Zielzellen. Der zugrunde liegende Mechanismus beruht auf hochspezifischen, häufig interaktiven molekularen Kontaktpunkten mit denen sie die Oberfläche von prospektiven Zielzellen abtasten. Die Unterschiede zu Nanopartikeln sind dabei dramatisch. Während Viren wie HIV-1 lediglich 8-10 dieser Strukturen benötigen um ihre Zielzellen zu identifizieren, sind derzeit gängige Nanopartikel mit 1.000-10.000 ausgestattet und sind dennoch nicht in der Lage zwischen Zellen zu unterscheiden. Ziel des Projektes ist es, Nanopartikel mit den entscheidenden Fähigkeiten auszurüsten auf denen dieser markante Effizienzunterschied beruht. Dazu werden Nanopartikel aus etablierten gut charakterisierten Blockcopolymeren hergestellt, um volle Kontrolle über die Dynamik ihrer Oberflächenstrukturen zu erhalten. Dies wird es erlauben virale Strategien der Interaktion mit Zellen zu imitieren und deren Effekt auf Zellselektivität, Affinität, Aufnahme und intrazelluläre Verteilung zu untersuchen. Um Nanopartikel mit der Fähigkeit von Viren zur Zellerkennung auszustatten, werden wir eine Reihe bislang unbekannter Methoden etablieren. Wir werden Partikel entwickeln, die in der Lage sind Entscheidungen zu treffen und deren gesteigerte Fähigkeit zwischen Zellen zu unterscheiden ausschließlich aus Wechselwirkungen mit Enzymen in der Zellmembran resultiert. Dieses bis dato nicht verwendete virale Prinzip wird es erlauben, die Selektivität massiv zu steigern und gleichzeitig gewünschte Effekte therapeutischer Partikel von unerwünschten ‚Nebenwirkungen‘, wie sie aus klassischen Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen resultieren können, abzukoppeln. Darüber hinaus werden wir eine Technik entwickeln, die es gestattet, die Anzahl von Liganden zu ermitteln mit denen Partikel an Zellen binden. Zusätzlich werden wir den Einfluss von Membraneinstülpungen sog. ‚Clathrin Coated Pits‘, auf die Affinität von Partikeln bestimmen. Schließlich werden wir optimierte Prototypen von virusmimetischen Partikeln auf ihre Fähigkeit testen, die Wechselwirkungen von Viren mit Zielzellen nachzuahmen. Im Erfolgsfall wird dies langfristig neue antivirale Therapieoptionen eröffnen. Insgesamt kann die biomimetische Strategie dazu beitragen besser zu verstehen wie Nanopartikel mit Zellen wechselwirken und in Zukunft effizientere Nanotherapeutika zu entwickeln. <p></p>
• <H4>Lipid Nanopartikel für die Therapie von Netzhauterkrankungen</H4> Mehr als 100 Millionen Menschen leiden weltweit an altersbedingter Makuladegeneration (AMD) und diabetischer Retinopathie, die man beide zu den führenden Ursachen krankheitsbedingter Erblindungen zählt. Die feuchte Form der AMD und die proliferative diabetische Retinopathie (PDR) sind beide begleitet von der Proliferation von Endothelzellen und der Hyperpermeabilität choroidaler bzw. retinaler Blutgefäße. Da der vaskuläre endotheliale Wachstumsfaktor VEGF beide Prozesse entscheidend beeinflusst, hat sich die intraokulare Injektion von VEGF-Antikörpern in den vergangenen Jahren als überaus erfolgreiche therapeutische Strategie erwiesen. Da VEGF aber auch ein notwendiger Faktor für den Erhalt der Retina ist, führt seine unspezifische Elimination zu gravierenden Nebenwirkungen. Ziel dieses Projektes ist es, Nanopartikel für alternative therapeutische Strategien zu entwickeln. Ein erster Ansatz ist eine spezifische Anti-VEGF-Strategie für das retinale und choroidale Endothel und beruht auf unserer Beobachtung, dass Nanopartikel, die in der Lage sind an Integrine zu binden, sich in retinalen und choroidalen Blutgefäßen anreichern. Wir werden Lipidnanopartikel entwickeln, die in der Lage sind Cyclosporin A und Itraconazol, zwei potente und synergistische Inhibitoren des VEGF-Signalwegs, nach i.v. Applikation an retinale und choroidale Blutgefäße zu transportieren. <p></p>
• <H4>Hydrogele für das Delivery von Biologics</H4> Makromolekulare Arzneistoffe, wie Proteine und Nukleinsäuren, besitzen insbesondere bei lokaler Applikation (wie z.B. im Glaskörper des Auges) ein herausragendes therapeutisches Potenzial. Leider behindert die kurze biologische Halbwertszeit dieser als ‚Biopharmaceuticals’ bezeichneten Substanzen weitgehend den problemlosen Einsatz in Forschung und Therapie. Zwar wären zahlreiche bekannte Biomaterialien grundsätzlich für die Stabilisierung und lokale Freisetzung von Proteinen und Nukleinsäuren geeignet, allerdings ist deren Anwendung aufgrund mangelnder Verträglichkeit und Applizierbarkeit nicht sel¬ten prohibitiv. Um diese Probleme der lokalen Pharmakotherapie mit Biopharmaceuticals zu lösen, werden in situ gelierende, minimalinvasiv applizierbare, bioabbaubare Hydrogele auf der Basis von Polyethylenglykol entwickelt. Die für Hydrogele bekannten Probleme (rasche Wirkstofffreisetzung und unkontrollierte Reaktion der Wirkstoffe mit dem Gelgerüst) werden durch reversible Anbindung der Proteine an das Gelgerüst bzw. durch Einbettung von Nukleinsäuren in Form von Polyplexen gelöst. Begleitend zur Materialentwicklung und -charakterisierung werden die Hydrogele in Zellkultur und in vivo im Glaskörper der Ratte auf ihre Bioverträglichkeit getestet. Daneben stehen insbesondere die Bestimmung von Stabilität und Mobilität einschlägiger Modellsubstanzen, wie neurotropher Faktoren, sowie deren Applikation in vivo im Mittelpunkt der Untersuchungen. <p></p>

• Zellkulturlabor (Inkubatoren, LF-box, Mikroskopie, Zellkultur assays, ...)
• Thermoanalytische Verfahren (DSC), Oberflächencharakterisierung (Kontaktwinkelmessung), Partikelgrößenbestimmung (Nanosight, DLS)
• Chromatographische Verfahren (HPLC, GPC, SEC)
• Apparative Ausstattung zur Herstellung von Arzneiformen
• Über Zentrale Analytik: MS, HPLC-MS, NMR, Maldi-ToF, etc.

Publikationen:

• Bohley, M. et al. A single intravenous injection of cyclosporin A-loaded lipid nanocapsules prevents retinopathy of prematurity. Sci Adv 8, eabo6638 (2022). https://doi.org:10.1126/sciadv.abo6638
• Fleischmann, D., Harloff, M., Maslanka Figueroa, S., Schlossmann, J. & Goepferich, A. Targeted Delivery of Soluble Guanylate Cyclase (sGC) Activator Cinaciguat to Renal Mesangial Cells via Virus-Mimetic Nanoparticles Potentiates Anti-Fibrotic Effects by cGMP-Mediated Suppression of the TGF-β Pathway. International Journal of Molecular Sciences 22 (2021). https://doi.org:10.3390/ijms22052557
• Maslanka Figueroa, S. et al. Nanoparticles Mimicking Viral Cell Recognition Strategies Are Superior Transporters into Mesangial Cells. Adv Sci (Weinh) 7, 1903204 (2020). https://doi.org:10.1002/advs.201903204
• Maslanka Figueroa, S. et al. Influenza A virus mimetic nanoparticles trigger selective cell uptake. PNAS 116, 9831-9836 (2019). https://doi.org:10.1073/pnas.1902563116
• Gregoritza, M., Abstiens, K., Graf, M. & Goepferich, A. M. Fabrication of antibody-loaded microgels using microfluidics and thiol-ene photoclick chemistry. European journal of pharmaceutics and biopharmaceutics : official journal of Arbeitsgemeinschaft fur Pharmazeutische Verfahrenstechnik e.V 127, 194-203 (2018). https://doi.org:10.1016/j.ejpb.2018.02.024
• Gregoritza, M., Messmann, V., Abstiens, K., Brandl, F. P. & Goepferich, A. M. Controlled Antibody Release from Degradable Thermoresponsive Hydrogels Cross-Linked by Diels-Alder Chemistry. Biomacromolecules 18, 2410-2418 (2017). https://doi.org:10.1021/acs.biomac.7b00587
• Kirchhof, S. et al. Diels-Alder Hydrogels for Controlled Antibody Release: Correlation between Mesh Size and Release Rate. Molecular Pharmaceutics 12, 3358-3368 (2015). https://doi.org:10.1021/acs.molpharmaceut.5b00375
• Graf, M., Ziegler, C. E., Gregoritza, M. & Goepferich, A. M. Hydrogel microspheres evading alveolar macrophages for sustained pulmonary protein delivery. International journal of pharmaceutics 566, 652-661 (2019). https://doi.org:10.1016/j.ijpharm.2019.06.019
• Ziegler, C. E., Graf, M., Nagaoka, M. & Goepferich, A. M. Investigation of the Impact of Hydrolytically Cleavable Groups on the Stability of Poly(ethylene glycol) Based Hydrogels Cross-Linked via the Inverse Electron Demand Diels-Alder (iEDDA) Reaction. Macromol Biosci, e2200226 (2022). https://doi.org:10.1002/mabi.202200226
• Stahl, M., Holzinger, J., Bulow, S. & Goepferich, A. M. Enzyme-triggered antigen release enhances cross-presentation by dendritic cells. Nanomedicine 42, 102545 (2022). https://doi.org:10.1016/j.nano.2022.102545

Kooperationsangebot für die Wirtschaft / Praxis:

• Entwicklung und Testung/Anwendung neuer Biomaterialien (insbes. Hydrogele) und Arzneistofffreigabesystemen
• Entwicklung und Testung/Anwendung neuer Arzneiformen
• Entwicklung von therapeutischen und diagnostischen Nanopartikeln zur Anwendung am Auge und in der Niere
• Beratung im Bereich Forschung und Patente

Bestehende Kooperationen: