Polynukleotid-Chitosan-Formulierung für die intraartikuläre Behandlung von Osteoarthritis

Osteoarthritis gehört zu den häufigsten degenerativen Gelenkerkrankungen. Sie ist durch den fortschreitenden Abbau von Knorpelgewebe, Schmerzen, eingeschränkte Beweglichkeit und eine zunehmende Beeinträchtigung im Alltag gekennzeichnet. Besonders problematisch ist, dass der Gelenkknorpel nur begrenzt regenerationsfähig ist und sich strukturelle Schäden häufig weiter verschlechtern.

Intraartikuläre Injektionen werden bei Osteoarthritis häufig eingesetzt, weil sie direkt im betroffenen Gelenk wirken und systemische Nebenwirkungen reduzieren können. Klassische Beispiele sind Kortikosteroide zur Entzündungshemmung oder Hyaluronsäure zur Verbesserung der Gelenkschmierung.

Polynukleotid-basierte Injektionen stellen eine weitere therapeutische Möglichkeit dar. Polynukleotide können im Gelenk ein dreidimensionales Netzwerk bilden, die Viskoelastizität verbessern und mechanische Reibung zwischen Gelenkflächen reduzieren. Gleichzeitig besitzen sie eine gute Biokompatibilität und können das lokale Gelenkmilieu günstig beeinflussen. Ein Nachteil ist jedoch ihre begrenzte Verweildauer im Körper, da Polynukleotide enzymatisch abgebaut werden können.

Eine Kombination aus Polynukleotiden und Chitosan wurde entwickelt, um die Stabilität im Gelenk zu erhöhen und die therapeutische Wirkung zu verlängern.

Materialbasis: Polynukleotide kombiniert mit Chitosan

Verglichen wurden zwei Formulierungen. Die konventionelle Polynukleotid-Formulierung, kurz PNF, bestand aus gereinigten, aus Lachs gewonnenen DNA-Fragmenten. Die Molekulargewichtsverteilung lag überwiegend im Bereich von 3.000 bis 10.000 kDa. Die PNF wurde als 20 mg/ml Lösung eingesetzt.

Die Polynukleotid-Chitosan-Formulierung, kurz PCF, enthielt 25 mg/ml Polynukleotid und 0,125 mg/ml Chitosan. Als Chitosan wurde Chitosan 90/50 von Heppe Medical Chitosan verwendet. Der Deacetylierungsgrad lag bei 91,5 %, die molare Masse bei 80 bis 200 kDa und die Viskosität bei 41 mPa·s, gemessen als 1%ige Lösung in 1%iger Essigsäure bei 20 °C.

Die Formulierung wurde so ausgelegt, dass sie bei Raumtemperatur injizierbar bleibt und bei Körpertemperatur ein stabileres Netzwerk im Gelenk bildet. Die Polynukleotid-Konzentration wurde dabei nicht einfach erhöht, sondern an viskoelastische Eigenschaften angepasst, die kommerziell eingesetzte Viskosupplemente im Gelenk ungefähr erreichen.

Mechanismus der intraartikulären Retention

Polynukleotide können nach der Injektion selbstorganisierte Netzwerke ausbilden. Diese Netzwerkbildung kann die Gelenkflüssigkeit funktionell unterstützen, Reibung verringern und dadurch Schmerzen lindern.

Chitosan ergänzt diese Wirkung durch seine kationische, biokompatible Polymerstruktur. Die Kombination mit Polynukleotiden soll die intraartikuläre Stabilität erhöhen und die Verweildauer im Gelenk verlängern. Dadurch bleibt der Wirkstoff lokal länger verfügbar.

Das System ist daher kein klassisches festes Implantat, sondern eine injizierbare Formulierung, die erst im Gelenk ihre stabilere Gel- bzw. Netzwerkstruktur ausbildet.

Versuchsaufbau und wichtige Methodenparameter

Für die Untersuchung wurden männliche Sprague-Dawley-Ratten im Alter von 6 bis 8 Wochen mit einem Körpergewicht von etwa 250 g verwendet. Die Tiere wurden unter kontrollierten Bedingungen gehalten: 24 ± 2 °C, 50 ± 5 % Luftfeuchtigkeit, mit freiem Zugang zu Wasser und Futter.

Zur Erzeugung osteoarthritischer Veränderungen wurden zwei Modelle verwendet. Zunächst wurde ein chirurgisches ACLT-Modell eingesetzt, bei dem das vordere Kreuzband durchtrennt wurde. Die Narkose erfolgte mit Xylazin, 5 mg/kg, und Zoletil 50, 40 mg/kg. Dieses Modell diente vor allem dazu, die Vergleichbarkeit mit einem chemisch induzierten Osteoarthritis-Modell zu prüfen.

Für die späteren Vergleichsuntersuchungen wurde das MIA-Modell verwendet. Dabei wurde Monoiodoacetat direkt in das Kniegelenk injiziert. Für das mildere Modell wurden 50 µl einer 6 mg/ml MIA-Lösung eingesetzt, entsprechend 0,3 mg MIA. Für das schwerere Modell wurden 50 µl einer 60 mg/ml MIA-Lösung verwendet, entsprechend 3 mg MIA.

Die Behandlung begann eine Woche nach bestätigter Osteoarthritis-Induktion. Pro Injektion wurden 50 µl PNF oder 50 µl PCF intraartikulär verabreicht. Die Applikation erfolgte einmal wöchentlich über drei Wochen.

Zur funktionellen Bewertung wurde vor allem der Weight-Bearing-Test eingesetzt. Dabei wurde gemessen, wie stark die Tiere das erkrankte linke Hinterbein belasten. Die Tiere wurden dafür für etwa 10 Sekunden in eine um 60° geneigte Plexiglaskammer gesetzt. Ein reduzierter Belastungsanteil des linken Beins zeigt Schmerzen oder Funktionsverlust an.

Zusätzlich kamen Grip-Strength-Tests und in den Modellvalidierungen auch Schmerztests wie der von-Frey-Test zum Einsatz. Für die histologische Bewertung wurden die Kniegelenke in 10 % Formaldehyd fixiert, decalcifiziert, in Paraffin eingebettet und in etwa 5 µm dicke Schnitte geschnitten. Die Färbungen erfolgten mit Hämatoxylin/Eosin und Safranin O. Zur Auswertung wurden modifizierte OARSI- und Mankin-Scores verwendet.

Wirkung auf Schmerzverhalten und Gelenkfunktion

Im milden MIA-Modell mit 0,3 mg MIA verbesserten sowohl PNF als auch PCF die Gewichtsbelastung des betroffenen Beins. Beide Formulierungen zeigten ab der ersten Woche nach Behandlung eine deutliche Verbesserung, mit einem Maximum etwa um Woche 3. Danach nahm die Wirkung langsam ab.

Die PCF zeigte jedoch zwischen Woche 6 und 9 eine stabilere Wirkung als die PNF. Ab Woche 10 war kein klarer Unterschied zwischen beiden Formulierungen mehr zu erkennen.

Im schweren MIA-Modell mit 3 mg MIA war der Unterschied deutlicher. Die PCF führte zu einer stärkeren und länger anhaltenden Verbesserung der Gewichtsbelastung als die PNF. Die Verbesserung blieb zwischen Woche 2 und Woche 10 signifikant stärker als bei der konventionellen PN-Formulierung. Dies spricht dafür, dass die Chitosan-haltige Formulierung besonders bei stärker ausgeprägter Osteoarthritis einen Vorteil bieten könnte.

Wirkung auf Knorpelstruktur und Gelenkgewebe

Die histologischen Untersuchungen zeigten bei unbehandelten bzw. salinbehandelten Tieren deutliche Knorpelschäden. Dazu gehörten Oberflächenunregelmäßigkeiten, Spaltenbildung, Knorpelzerstörung und im schweren Modell teilweise Ersatz durch fibrotisches Gewebe.

Sowohl PNF als auch PCF reduzierten diese strukturellen Schäden. Die behandelten Gelenke zeigten eine glattere Knorpeloberfläche, eine bessere Knorpeldicke und weniger ausgeprägte Zerstörung als die salinbehandelten Gruppen.

Auch die modifizierten OARSI- und Mankin-Scores bestätigten eine Verbesserung gegenüber der Negativkontrolle. Am Ende der Beobachtungszeit, in Woche 12, unterschieden sich PNF und PCF histologisch jedoch nicht mehr deutlich voneinander. Die stärkere Wirkung der PCF zeigte sich daher vor allem im funktionellen Verlauf und in der längeren Schmerzlinderung, weniger in einem dauerhaft klar abgrenzbaren histologischen Unterschied.

Ist Chitosan besser als die reine Polynukleotid-Formulierung?

Die reine Polynukleotid-Formulierung war bereits wirksam und verbesserte sowohl Schmerzverhalten als auch Knorpelstruktur. Die Kombination mit Chitosan zeigte jedoch eine längere Wirkdauer, besonders im schwereren Osteoarthritis-Modell.

Der Vorteil von Chitosan liegt hier wahrscheinlich in der verbesserten intraartikulären Retention. Durch die Ausbildung eines stabileren Netzwerks bleibt die Formulierung länger im Gelenk verfügbar. Dadurch kann die therapeutische Wirkung über einen längeren Zeitraum anhalten.

Zu beachten ist jedoch, dass PCF und PNF nicht exakt die gleiche Polynukleotid-Konzentration enthielten. PNF enthielt 20 mg/ml, PCF dagegen 25 mg/ml Polynukleotid. Die Autoren weisen deshalb selbst darauf hin, dass ein Teil des Effekts auch durch die unterschiedliche PN-Konzentration beeinflusst sein könnte. Der Verlauf der Ergebnisse deutet dennoch darauf hin, dass die Chitosan-Komponente zur verlängerten Wirkung beitragen könnte.

Welches Chitosan eignet sich für solche Gelenkformulierungen?

Für intraartikuläre Anwendungen eignet sich ein gut charakterisiertes, biokompatibles Chitosan mit hohem Deacetylierungsgrad und definierter Viskosität. In dieser Formulierung wurde Chitosan 90/50 mit einem Deacetylierungsgrad von 91,5 %, einer molaren Masse von 80 bis 200 kDa und einer Viskosität von 41 mPa·s eingesetzt.

Diese Eigenschaften sind für die Formulierung wichtig, weil Chitosan einerseits löslich und injizierbar bleiben muss, andererseits aber im Gelenk zur Netzwerkstabilisierung beitragen soll. Die sehr niedrige Chitosan-Konzentration von 0,125 mg/ml zeigt, dass bereits kleine Mengen ausreichen können, um die Formulierung funktionell zu verändern.

Bedeutung für zukünftige Osteoarthritis-Therapien

Die Polynukleotid-Chitosan-Formulierung zeigt, wie ein etablierter intraartikulärer Therapieansatz durch ein Chitosan-basiertes Formulierungskonzept weiterentwickelt werden kann. Ziel ist nicht nur eine kurzfristige Schmerzlinderung, sondern eine verlängerte lokale Wirkung im Gelenk.

Besonders interessant ist der mögliche Vorteil bei schwererer Osteoarthritis. Dort hielt die Wirkung der Chitosan-haltigen Formulierung länger an als die der reinen Polynukleotid-Formulierung. Langfristig könnte dies potenziell längere Behandlungsintervalle ermöglichen, müsste jedoch in klinischen Studien bestätigt werden.

Das System verdeutlicht damit das Potenzial von Chitosan als funktionellem Zusatzstoff für intraartikuläre Depot- und Gel-Formulierungen. Weitere Untersuchungen wären sinnvoll, um den Beitrag der Chitosan-Komponente unabhängig von der Polynukleotid-Konzentration genauer zu bewerten und die Übertragbarkeit auf klinische Anwendungen zu prüfen.

Quelle
Ohk, S.-O., Kim, J. H., Chun, S. Y., Jung, H. Y., Hwang, K. T., Gil, H. H., Won, C.-Y., Lee, J.-Y.: Comparative evaluation of the efficacy of polynucleotide–chitosan and polynucleotide-only intra-articular formulation in monoiodoacetate-induced osteoarthritic rat models. Farmacia 74(2), 541–550 (2026). Doi: 10.31925/farmacia.2026.2.24.

Image has been AI generated