Medikamente können über viele Wege in den Körper gelangen – zum Beispiel über die Atemwege. Um ein Eindringen von Feinstaub oder Krankheitserregern zu verhindern, sind die oberen Atemwege (Bronchien) mit Schleim (pulmonaler Mukus) überzogen. Wie können also Nanopartikel, die als „Taxis“ oder „Carrier“ Arzneistoffe transportieren, Bronchialschleim überwinden?

Dies herauszufinden, war Ziel des gemeinsamen Forschungsprojektes „PulMoS“ von htw saar, Universität des Saarlandes (UdS) und Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS). Von 2014 bis 2016 arbeiteten die Kooperationspartner an dem Projekt, das mit Mitteln der Staatskanzlei des Saarlandes gefördert wurde.

Im Rahmen von „PulMoS“ hat Matthias Ernst ein mathematisches Modell entwickelt, das das Transportverhalten von Nanopartikeln durch Bronchialschleim beschreibt. Es soll eine verbesserte Anwendung von inhalativen Medikamenten ermöglichen. Während der Projektlaufzeit war Ernst an der htw saar wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Prof. Dr. Marco Günther, Professor für Angewandte Mathematik. Parallel promovierte er an der Universität des Saarlandes bei Prof. Dr. Claus-Michael Lehr, Professor für Biopharmazie und Pharmazeutische Technologie.

Quelle: A Model for the Transient Subdiffusive Behavior of Particles in Mucus; Ernst, Matthias et al., Biophysical Journal, Volume 112, Issue 1, 172 – 179; http://www.cell.com/biophysj/abstract/S0006-3495(16)31930-0?cc=y=)

Der Weg zu einem anwendbaren mathematischen Modell war lang. Fast 1,5 Jahre arbeitete Ernst an Lösungen, wie das Modell weiterentwickelt werden könnte. Nach vielen Experimenten und Überlegungen fanden die Forscher heraus, dass der Transport von Medikamenten durch die Schleimschicht nur durch Diffusion möglich ist. Daraufhin wurden Mitarbeiter der Biophysik der Universität des Saarlandes – Experten im Bereich Diffusion – in die Forschung hinzugezogen. Während das HIPS die Bewegung der Partikel durch die Schleimschicht unter dem Mikroskop untersuchte, simulierten Ernst und der Experimentalphysiker Dr. Thomas John diese mit einem selbst geschriebenen Programm. John forscht in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Christian Wagner am Lehrstuhl für Biophysik der UdS.

„Dass Nanopartikel den Mukus durchdringen ist nicht unmöglich, aber ziemlich schwierig“, erklärt Ernst. Dies zeigten die vom HIPS durchgeführten Experimente, die durch die Simulationen an der htw saar bestätigt wurden. So müssen Partikel inklusive Arzneistoff kleiner als 40 Nanometer sein, um innerhalb einer vorgegebenen Zeit von 15 Minuten die Schleimschicht zu durchdringen. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen helfen, neuartige Medikamente zu entwickeln, die über die Atemwege verabreicht werden.

Für Ernst war die Mitarbeit am Forschungsprojekt „PulMoS“ fachlich und persönlich eine wertvolle Erfahrung. Der Erfolg des Projektes beruht auf der guten Zusammenarbeit mit den Kollegen von der UdS und dem HIPS sowie dem Know-how von Prof. Günther im mathematischen und technischen Bereich.

Sie haben Interesse an einer Master-Thesis oder einer Promotion in diesem Forschungsbereich?
Dann kontaktieren Sie Prof. Dr. Marco Günther.

Über Matthias Ernst
Matthias Ernst absolvierte sein Bachelor- und Master-Studium der Verfahrenstechnik mit Schwerpunkt Bioprozesstechnik am Umwelt-Campus Birkenfeld und der Technischen Universität Kaiserslautern. Anschließend war er zwei Jahre bei dem Chemiekonzern BASF in Ludwigshafen tätig. Von 2014 bis 2016 war er im Rahmen des Gemeinschaftsprojekts „PulMoS“ an der htw saar wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Prof. Dr. Marco Günther. Parallel promovierte er an der Universität des Saarlandes bei Prof. Dr. Claus-Michael Lehr, Professor für Biopharmazie und Pharmazeutische Technologie. Heute arbeitet Ernst wieder für die BASF. Er ist im Projektmanagement für die Planung einer neuen Chemieanlage tätig.