• Glaskörper in "Ophthalmologie", 2007-2009.
  H. Ritter, H.-J. Galla, S. Thanos

Im Zeitraum 01.01.2007– 31.12.2009 konnten gelbildende polymere Wirt-Gast-Systeme hergestellt werden. Es wurden Cyclodextrin-Polymere (Wirt) und adamantyl-haltige hydrophile-Copolymeren (Gast) synthetisiert. Die resultierenden Hydrogele sind transparent und zeigen scherungsabhängige Viskositäten (10.000 bis ca. 100.000 mPa·s). Die Viskositäten lassen sich durch Variation der Gast:Wirt-Verhältnisse, strukturelle Veränderungen der Polymerkomponenten und der Konzentrationen einstellen. Aus mikrokalorimetischen Messungen konnten strukturelle Hinweise auf die Stabilität der Gast-Wirt-Komplexe gewonnen werden. Trübungsphotometrische Messungen ließen erkennen, dass sie innerhalb des medizinisch relevanten Temperaturbereichs transparent sind und die erforderliche thermische Stabilität aufweisen. Sie erwiesen sich darüber hinaus stabil gegenüber enzymatischem Abbau. Des Weiteren wurden die Wirt-Gast-Hydrogele auf Basis von CD-Polymeren und adamantylhaltigen Gast-Copolymeren charakterisiert. Dazu wurden die einzelnen Polymere durch Dialyse gereinigt und die Größenverteilungen mittels asymmetrischer Feldflussfraktionierung bestimmt. Der Einfluss der Reaktionsparameter während der Polymersynthese auf die Größe der Polymerketten konnte somit genauer untersucht werden. Anschließend wurde der Einfluss von Temperatur, pH-Wert, der Art der Pufferlösung und des Fremdsalzes (NaCl) auf die Viskosität und Transparenz des Hydrogels untersucht. Auch wurde vergleichend Glaskörpermaterial von Affen zugesetzt. Ein zu hoher Salzgehalt oder zu große Mengen an Restglaskörpermaterial der Versuchsaffen führten zu einer leichten Verringerung der Viskosität und einer Trübung des Wirt-Gast-Hydrogels. Mittels QCM-Analyse konnte die Konsistenz des Gels unter verschiedenen Salzbedingungen und in Anwesenheit von relevanten Wirkstoffen der aus der praktischen Anwendung in der Augenheilkunde ermittelt werden. Zellbiologische Untersuchungen zeigten jedoch, dass die Einzelkomponenten eine deutliche zellschädigende Wirkung im in vitro Experiment aufweisen. Somit kommen die oben genannten Hydrogele bisher als Glaskörperersatz nicht in Frage. Aus diesen Untersuchungen konnten Zusammenhänge zwischen der Struktur der Polymere und ihrer Zellschädigung hergeleitet werden.

Hydrogele auf Basis von Oxazolinderivaten als Wirt-Copolymere erreichten nur geringe Viskositäten. Sie bilden offenbar keine stabilen Wirt-Gast-Komplexe aus und wurden daher wie im Plan vorgesehen war, nicht weiter verfolgt. Als eine vielversprechende Alternative zu den Polyoxazolinen wurden hyperverzweigte Polyethylenimine mit Molmassen von 10.000 bis 60.000 g/mol verwendet. In weiteren Arbeitsschritten könnte Synthese von Hydrogelen aus hyperverzweigten Polyethyleniminen realisiert werden. Die zellbiologischen Untersuchungen auf Verträglichkeit liegen noch nicht vor. Weitere Untersuchungen sollen im Rahmen eines Verlängerungsprojekts folgen.

Für biomedizinische Anwendungen kann die Lower Critical Solution Temperature (LCST) ausschlaggebend sein. Aufgrund des geeigneten LCST-Verhaltes von Poly(N-Isopropylacrylamid) (NIPAAm) in wässrigen Medien nahe der Körpertemperatur (32-34°C) wird Poly(NIPAAm) als Grundkörper für die Synthese von neuartigen Hydrogelen eingesetzt. Unterhalb dieser Temperatur ist Poly(NIPAAm) vollständig löslich, wohingegen es oberhalb dieser kritischen Temperatur in Wasser ausfällt. Der Wert der LCST lässt sich durch Pfropfpolymerisation mit AMPS in unterschiedlichen Verhältnissen einstellen. Die im Rahmen des Projektes synthetisierten Polymersysteme auf Basis von modifizierten Poly(NIPAAm) zeigen im Bereich von 36°C temperaturverdickendes thermosensitives Verhalten. Zudem zeichnet sich der Polyelektrolyt durch eine bemerkenswerte Biokompatibilität an kultivierten retinalen Ganglienzellen in vitro aus. Er zeigte keine akute Schädigung und provozierte keine Entzündungsreaktionen. Somit stellt diese Substanzgruppe eine vielversprechende Verbindung zur Anwendung als potentieller Glaskörperersatz dar.

Basierend auf den vielversprechenden Experimenten zur Biokompatibilität an Zellkulturen der Forschungsstelle 2, führte Forschungsstelle 3 diese Untersuchungen mit in vivo Experimenten am Tiermodell (Rattenauge) fort. Das problemlose Auflöseverhalten des Polyelektrolyten in PBS Puffer ermöglichte hierbei direkte intravitreale Injektionen. Es konnten unterschiedliche Mengen der viskosen Lösungen injiziert und so konzentrationsabhängige Effekte untersucht werden. Als Parameter möglicher Schädigungen in vivo wurden elektrophysiologische Untersuchungen (Elektroretinographie, ERG) durchgeführt. Weiterhin konnte die Morphologie des Augeninneren mittels Biomikroskopie durch Funduskontrolle das Augeninnere auf sichtbare zytotoxische Effekte (Trübungen, Einblutungen) untersucht werden. Es folgten biochemische Analysen auf empfindliche Marker von Schädigungs- und Entzündungsvorgängen, wie das TGF-beta, das gliale GFAP sowie das mikrogliale OX-42. Der Polyelektrolyt zeigte in vivo keine detektierbare Zytotoxizität und keine Entzündungsreaktion. Das Polymer ist ein potentieller Kandidat für die Anwendung als Glaskörperersatz auch in der humanen vitroretinalen Chirurgie.