Schaltbare Nanoventile: pH-sensitive Pseudorotaxane als reversibler Verschluss für Wirkstoff-Nanotransporter

11.03.2008: Ventile begegnen uns im täglichen Leben überall, sei es im Wasserhahn, sei es im Vergaser unseres Automotors, sei es an unserem Fahrradschlauch. Ventile gibt es aber auch in der Nanowelt. Ein Team aus Forschern um J. Fraser Stoddart und Jeffrey I. Zink von der University of California (Los Angeles, USA) hat nun ein neues Nanoventil entwickelt. In der Zeitschrift Angewandte Chemie verraten die Wissenschaftler, was das Besondere daran ist: Anders als seine Vorgängermodelle, die nur in organischen Lösungmitteln funktionieren, arbeitet dieses Ventil im wässrigen Milieu und unter physiologischen Bedingungen - Voraussetzung für einen Einsatz als Verschluss nanoskopischer Transportmittel für Pharmaka, die ihre Fracht zur richtigen Zeit am richtigen Ort freisetzen sollen.

Damit Pharmaka gezielt nur im erkrankten Organ wirken, braucht man geeignete Nanoverpackungen, die den Wirkstoff zum Zielort transportieren und auch nur dort herauslassen. Gute nanoskopische Packmittel sind beispielsweise winzige Kügelchen aus einem porösen Silikat. Die Poren werden mit dem Wirkstoff befüllt und müssen dann mit winzigen regelbaren Ventilen verschlossen werden.

Die Wissenschaftler knüpften stielförmige Moleküle auf die Oberfläche der porösen Kügelchen und füllten die Poren mit Gastmolekülen. Bei neutralen bis sauren pH-Werten stülpten sie Cucurbituril-Moleküle auf diese "Stiele". Cucurbituril ist ein dickes, ringförmiges Molekül mit einer Form, die an einen beidseitig ausgehöhlten Kürbis erinnert. Das entstehende supramolekulare Gebilde, das wie ein aufgespießter Kürbis aussieht und von Chemikern als Pseudorotaxan bezeichnet wird, blockiert nun die Poren, sodass die Gastmoleküle nicht austreten können. Die Nanoventile sind geschlossen.

Wird jedoch der pH-Wert ins Basische erhöht, wird die Wechselwirkung zwischen "Kürbissen" und "Spießen" geschwächt, die Kürbisse lösen sich ab und machen die Porenausgänge wieder frei. Die Ventile sind nun offen, die Gastmoleküle treten aus.

Nun muss noch an den molekularen Details der einzelnen Komponenten gefeilt werden. Das Ziel: sehr kleine Unterschiede im pH-Wert zwischen gesundem und krankem Gewebe sollen dann ausreichen, um die Ventile zu schalten und den Wirkstoff nur in kranken Zellen freizusetzen.

Originalveröffentlichung: Jeffrey I. Zink et al. "pH-Responsive Supramolecular Nanovalves Based on Cucurbit[6]uril Pseudorotaxanes"; Angewandte Chemie 2008, 120, No. 12, 2254-2258.