Chitosan und seine Derivate in der Biomedizin

Durch die Entwicklung der Nanotechnologie sind neue Anwendungen auf dem Gebiet der Biomedizin möglich. Chitosan und seine Derivate können dabei vielfältig verwendet werden, zum Beispiel um eine gezielte und verzögerte Wirkstofffreisetzung zu ermöglichen. In diesem Artikel stellen wir Ihnen ein Review vor, welches sich mit der aktuellen Forschung zur Anwendung von Chitosan und dessen Derivaten, insbesondere Carboxymethylchitosan (CMC), in der Biomedizin beschäftigt.

ANWENDUNGEN VON CHITOSAN UND SEINEN DERIVATEN IN DER BIOMEDIZIN

Chitosan Derivatives and Their Application in Biomedicine. Wenqian Wang, Qiuyu Meng, Qi Li, Jinbao Liu, Mo Zhou, Zheng Jin, Kai Zhao. International Journal of Molecular Sciences, 2020, 21(2), 487, https://doi.org/10.3390/ijms21020487.

Durch die stetige Verbesserung des Lebensstandards der Menschen fällt ein zunehmend größeres Augenmerk auf die Entwicklung der Gesundheits- und Medizintechnologie. In vergangenen Jahren wurden dort viele Polymerverbindungen aus natürlichen Quellen wie Stärke, Inulin und Chitin extrahiert. Anwendungen dieser liegen dabei unter anderem in der Biologie, Medizin, Schönheits- oder Pflegeindustrie. Die Verwendung von natürlichen Polymeren hat den Vorteil, dass es sich um nachwachsende sowie biologisch abbaubare Polymere handelt. Das aus Chitin gewonnene Chitosan sticht dabei besonders heraus, da es zusätzlich antivirale, antibakterielle und wundheilende Eigenschaften besitzt. Diese Eigenschaften können zusätzlich durch chemische Modifkationen wie z.B. die Derivatisierung mit Caboxylmethylgruppen verbessert werden.
Durch die Carboxylierung, insbesondere die Carboxymethylierung der C6-OH und C2-NH2 Gruppen kann Chitosan zu N,O-Carboxymethylchitosan (CMC) umgesetzt werden. Durch die hydrophilen Carboxymethylgruppen ist CMC, im Gegensatz zu Chitosan, in Wasser und alkalischen Lösungen löslich. CMC wird aufgrund seiner antibakteriellen, wundheilenden, lipidsenkenden, anti-arteriosklerotischen, anti-viralen, anti-tumor, anti-koagulatorischen und hypoglykämischen Effekte ebenfalls in der Biomedizin und Pharmazie verwendet.

ANWENDUNGEN VON CHITOSAN

• Leber-spezifische Drug Delivery:
  Verwendung von Glycyrrhizinsäure-Chitosan-Nanopartikeln zur gezielten Freisetzung von Ferulasäure (antioxidatives Medikament gegen Leberkarzinome) in der Leber.
• Nieren-spezifische Drug Delivery:
  Gezielte Wirkstofffreisetzung (von z. B. Prednison) mit kurzkettigem Chitosan (Molekulargewicht ca. 19 kDa).
• Lungen-spezifische Drug Delivery:
  Folsäure-polyethylenglykol-chitosancopolymere haben als Nanopartikel, beladen mit Taxol, gute pharmakokinetische Eigenschaften in der Lunge gezeigt
• Verwendung als Drug Delivery Vehikel: Chitosan kann in Form von Mikrosphären, Nanopartikeln und Hydrogelen verschiedene biologische Barrieren durchdringen. Es können Wirkstoffe gezielt zu Wirkungsorten befördert werden und über einen Zeitraum verzögert abgegeben werden.V
• Verwendung als antibakterielles Material:
  Chitosan und seine Derivate werden als ungiftige antibakterielle Materialien in der Biomedizin verwendet.
• Impfstoff-Adjuvans oder Vektor für mucosale Impfungen: 
  Mit Chitosan beschichtete PLGA Nanopartikel wurden als Vehikel für Plasmid DNA verwendet. Die beladenen Nanopartikel lösten stärkere Immunantworten aus als die DNA allein.

ANWENDUNGEN VON CMC

• Verbesserung der Mucoadhäsion:
• Hervorgerufen durch starke Wasserstoffbrückenbindungen und elektrostatische Wechselwirkungen. Verwendung mit Wirkstoffen zur Verbesserung der Mucoadhäsion und Wirkstofffreisetzung in oralen und respiratorischen Drug-Delivery-Systemen.
• Verbesserung der pH-Sensitivität:
  In  Hydrogelen mit Polyethylenglykol (PEG-g-CMC). pH-abhängige, makroskopische Veränderungen innerhalb des Polymers ermöglichen die gezielte Wirkstofffreisetzung basierend auf den pH Wertänderungen über den Gastrointestinaltrakt.
• Colon-spezifische Drug Delivery:
  Behandlung von chronischen Darmerkrankungen mit Gummi arabicum-O-CMC Mikrokapseln, die in der Lage sind, den oberen Gastrointestinaltrakt zu passieren. Durch die pH-Sensitivtät des CMC kann die Wirkstofffreisetzung und Bioverfügbarkeit im Darm erhöht werden.
• Knochengewebekonstruktion:
  Verwendung von CMC als biokompatible Gerüstsubstanz bei der Knochentransplantation. CMC verbessert die Adhäsion und Proliferation der Zellen.
• Vehikel für Gentherapie:
  Komplexierte O-CMC-Nanopartikel können als Vektoren für siRNA und RNA zur Behandlung von Brust- und Lungenkrebs eingesetzt werden. In vitro wurde gezeigt, dass O-CMC-Nanopartikel die Migration von Tumorzellen hemmen.
• Impfstoff-Adjuvans oder Vektor für mucosale Impfungen
  Hervorrufen einer stärkeren Immunantwort in den Schleimhäuten mit CMC-Nanopartikeln

Schlussfolgerung: Chitosan und seine Derivate werden neben vielen anderen Anwendungen auch zur Herstellung medizinischer Materialien und in der Biomedizin verwendet. Zusätzlich dazu hat sich mit der Entwicklung von Nanomaterialien das Anwendungsfeld von Chitosan und seinen Derivaten erweitert. Diese Nanomaterialien werden im Rahmen der gezielten Wirkstofffreisetzung und Verstärkung von Impfstoffen erforscht. In in vitro Versuchen konnten bereits Verbesserungen der Immunantwort und Wirkstofffreisetzung gezeigt werden. Zukünftige Forschung kann die Eigenschaften von Chitosan Derivaten und deren Nanomaterialien weiter verbessern und deren Anwendung beim Menschen ermöglichen.
Quelle: https://www.mdpi.com/1422-0067/21/2/487