Photoaktivierbare Medikamente werden aktiviert, wenn sie durch einen Lichtstrahl – über eine optische Faser – bestrahlt werden, und erzeugen so eine kontrollierte und lokale therapeutische Wirkung auf das Zielgewebe. Nun hat ein wissenschaftliches Team einen neuen Durchbruch auf dem Gebiet der Photopharmakologie erzielt, indem es das erste drahtlose Gerät entwickelt hat, das in der Lage ist, ein photoaktivierbares Medikament aus der Ferne zu aktivieren und therapeutische Wirkungen auf bestimmte Organe zu entfalten.
Dieses neue Gerät hat seine Wirksamkeit bei der Behandlung von Schmerzen in einer Studie mit einem lichtempfindlichen Molekül bewiesen, das von Morphin abgeleitet ist, einem der am häufigsten verwendeten Opioide aufgrund seiner großen schmerzstillenden Wirkung.
Die an Tiermodellen durchgeführte Studie eröffnet neue Perspektiven für die Entwicklung von sichereren, wirksameren und individuell anpassbaren analgetischen Behandlungen – insbesondere bei chronischen Schmerzen – ohne die mit der Verwendung von Opioiden verbundenen Nebenwirkungen (Abhängigkeit, Sucht usw.).
Diese Innovation in der Pharmakologie wird nun in einem in der Zeitschrift Biosensoren und Bioelektronik veröffentlichten Artikel vorgestellt. Hauptautor ist Francisco Ciruela, Professor an der Fakultät für Medizin und Gesundheitswissenschaften der Universität Barcelona und Mitglied des Instituts für Neurowissenschaften (UBneuro) und des Bellvitge Biomedical Research Institute (IDIBELL), und die Experten John Rogers von der Northwestern University (Vereinigte Staaten), Amadeu Llebaria vom Institut für fortgeschrittene Chemie Kataloniens (IQAC-CSIC) und Jordi Hernando von der Universitat Autònoma de Barcelona (UAB).
Photopharmakologie: die Macht des Lichts
Photoaktivierbare Medikamente sind chemische Verbindungen, die inaktiv sind, bis sie durch Licht einer bestimmten Wellenlänge aktiviert werden. Sie können mit größerer räumlicher und zeitlicher Präzision wirken, ohne nennenswerte Nebenwirkungen im Körper hervorzurufen.
In der Studie untersuchte das Team die Auswirkungen der drahtlosen Technologie bei der Behandlung von Schmerzen mit lichtgeschütztem Morphin (pc-Mor), das die Freisetzung von aktivem Morphin in von Schmerzen betroffenen Organen und Geweben fördert, ohne Nebenwirkungen zu verursachen.
„Photo-caged Morphin ist ein Molekül, das chemisch verändert wurde, um seine analgetische Funktion vorübergehend zu inaktivieren. Diese Inaktivierung wird durch das Hinzufügen einer Cumarin-Gruppe erreicht, die sich über eine lichtempfindliche Bindung kovalent an Morphin bindet. Diese Bindung blockiert die Domäne des Morphins, die für seine Interaktion mit den Opioidrezeptoren verantwortlich ist“, erklärt Francisco Ciruela.
„Wenn das Zielgewebe mit Licht der Wellenlänge 405 Nanometer bestrahlt wird, wird die lichtempfindliche Bindung gebrochen und das aktive Morphin wird an dem Punkt freigesetzt, an dem es wirken soll. Dies ermöglicht eine präzise pharmakologische Wirkung in Raum und Zeit, d.h. es wirkt nur dort, wo und wann es gebraucht wird“, erklärt der Experte.
Gleiche Wirkung wie herkömmlich verabreichtes Morphin
Den Ergebnissen zufolge ist die schmerzlindernde Wirkung von Morphin, das mit dem Photodevice lokal im Rückenmark freigesetzt wird, mit der von systemisch verabreichtem Morphin vergleichbar.
„Der herausragende Unterschied war jedoch das Fehlen der typischen Nebenwirkungen von Opioiden, wie Toleranz gegenüber der schmerzstillenden Wirkung, Verstopfung, Abhängigkeit und Sucht“, betont der Experte. „Die Überwindung der potenziellen Abhängigkeit und der mit Opioiden verbundenen Nebenwirkungen war eine der Hauptmotivationen“.
Zur Durchführung der Forschung implantierte das Team Tiermodellen ein kleines, millimetergroßes Gerät mit einer Mikro-LED als Lichtquelle, um photolabiles Morphin im Rückenmark zu aktivieren und schmerzlindernde Wirkungen zu erzielen. Diese Konfiguration ermöglicht es, die Mikro-LED auf programmierbare und modulierbare Weise zu aktivieren, um eine lokale Photoaktivierung von Morphin nur in der bestrahlten Region zu bewirken.
Das Gerät enthält eine Mini-Radiofrequenzantenne, die über NFC-Technologie drahtlos oder kabelgebunden mit Strom versorgt wird, um die microled einzuschalten. Nach der Implantation in Tiermodelle erleichtert das Gerät die freie Bewegung in der Umgebung, indem es physische Barrieren beseitigt, die die therapeutische Wirksamkeit des photoaktivierbaren Arzneimittels beeinträchtigen könnten. Das System ermöglicht auch die Regulierung der Intensität und Frequenz des eingestrahlten Lichts, um die Lichtdosis und die pharmakologische Wirkung entsprechend den therapeutischen Erfordernissen besser steuern zu können.
Neue Grenzen in der drahtlosen Photopharmakologie
Abgesehen von der Schmerzbehandlung könnte das neue drahtlose Photopharmakologie-Protokoll, das auf der lokalen und kontrollierten Freisetzung von lichtaktivierten Medikamenten beruht, auch bei verschiedenen Pathologien eingesetzt werden. Insbesondere bei der personalisierten Behandlung von chronischen Krankheiten, die eine sehr präzise pharmakologische Wirkung erfordern oder Risiken im Zusammenhang mit systemischen Nebenwirkungen bergen.
„Bei Epilepsie könnte die lokale Freisetzung von krampflösenden Medikamenten in bestimmten Hirnregionen eine Anfallskontrolle ermöglichen, ohne den Rest des Zentralnervensystems zu beeinträchtigen, wodurch eine Sedierung und andere allgemeine Nebenwirkungen vermieden werden könnten“, sagt Ciruela. „Bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson könnte die lokale Photoaktivierung von dopaminergen oder anderen modulierenden Medikamenten eingesetzt werden, um motorische Symptome auf fokale und sichere Weise zu verbessern. Bei psychiatrischen Erkrankungen wie Schizophrenie könnte die Lichtaktivierung von Antipsychotika in bestimmten Hirnregionen die therapeutische Wirksamkeit erhöhen, unerwünschte Wirkungen verringern und die Therapietreue der Patienten verbessern“.
Im Kampf gegen Krebs könnte die Photoaktivierung von Chemotherapeutika direkt in der Tumorumgebung eine Strategie sein, die eine hohe lokale Wirkstoffkonzentration und eine geringere systemische Toxizität gewährleistet.
In Zukunft wird die klinische Forschung im Bereich der Photopharmakologie vor Herausforderungen wie der Bewertung der Bioverfügbarkeit, der chemischen Stabilität und der Sicherheit der durch Photolyse gewonnenen Produkte stehen. Auf der technologischen Seite stellt die Entwicklung und Validierung implantierbarer Geräte eine Reihe von Herausforderungen dar, z. B. Biokompatibilität, Haltbarkeit, Miniaturisierung, Energiemanagement und funktionelle Integration in den menschlichen Körper. „Aus regulatorischer Sicht wird diese Technologie auch eine spezielle Regulierung für Kombinationsprodukte erfordern, da sie ein Medikament mit einem Medizinprodukt verbindet, was das Zulassungsverfahren und die klinische Überwachung erschwert“, so der Experte abschließend.
Minsung et al. “Wireless, battery-free, remote photoactivation of caged-morphine for photopharmacological pain modulation without side effects”. Biosensors and Bioelectronics, April 2025. DOI: 10.1016/j.bios.2025.117440.
