Mensen die last hebben van chronische pijn of terugkerende ontstekingen zoals bij reuma, zijn veroordeeld tot intensief en langdurig medicijngebruik. Ze zijn vrijwel iedere dag aangewezen op pillen en spuiten om hun leven draaglijk te houden. Maar het voortdurend toedienen van medicijnen is al een last op zich. Dat geldt ook voor patiënten die chemotherapie krijgen. Ze gaan gebukt onder de krachtige cytostatica die lokaal wordt toegediend om kankercellen te bestrijden.

Voor hen zou medicijnafgifte vanuit een implantaat een uitkomst zijn. Een soort staafje vol medicijnen dat onderhuids wordt aangebracht en eenvoudig van buiten de patiënt aan of uit wordt gezet. Deze ‘niet-invasieve wijze van gepulseerde dosering’ biedt meer voordelen dan de traditionele toedieningsvormen die oraal of via injectie plaatsvinden. Een makkelijke en pijnloze dosering zal ervoor zorgen dat patiënten minder snel verzuimen om medicijnen te nemen. En door de lagere benodigde doses van krachtige medicijnen, die vanuit het implantaat op locatie hun werk doen, wordt niet het hele lichaam blootgesteld aan het medicijn.

Ir. Micky Vertommen zocht en vond een manier om dergelijke implantaten aan en uit te schakelen met behulp van nabij-infrarode straling (NIR) die, afhankelijk van de golflengte, tot enkele centimeters kan indringen in het menselijke lichaam en hierdoor aantrekkelijk is voor biomedische toepassingen. Het principe is gebaseerd op opwarming van het polymeren implantaat rondom de glasovergangstemperatuur (Tg). Nadat een implantaat is ingebracht, kan met gerichte NIR de ‘capsule’ met medicijnen worden opgewarmd. Door de tijdelijke verhitting wordt de buitenste ‘schil’ van het implantaat rubberachtig en kunnen medicijnen door de wand van het implantaat sijpelen. Zodra de schil afkoelt, wordt de buitenwand van het implantaat weer glasachtig en blijven de medicijnen afgeschermd van het lichaam.

Zo simpel als de methode werkt, zo gecompliceerd is het onderzoek geweest naar de parameters die het proces beïnvloeden. Zo is gekeken naar de verzadiging van medicijnen in het implantaat. Hoe hoger de concentratie, hoe sneller de afgifte. Verder speelt de temperatuur bij opwarming een rol. Die kan worden bepaald door het vermogen van de NIR-laser die op de huid schijnt, maar ook door de concentratie en laagdikte van een kleurstof die op de wand van het implantaat is aangebracht. Die kleurstof is nodig omdat de meeste polymeren waarvan een implantaat gemaakt wordt, niet of nauwelijks infrarood licht absorberen. Om een polymeer toch goed te laten reageren op NIR, wordt daarom een kleurstof ingemengd. Het is dus een kwestie om zowel de juiste medicijnconcentratie als de verhouding tussen NIR en kleurstof te vinden voor een optimale werking. “Op basis van de gevonden resultaten kunnen we op dit punt een voorspelling doen voor verschillende combinaties”, zegt Vertommen.

In eerste instantie had Vertommen koolstof op het oog om de absorptie van NIR door polymeren te verbeteren. Maar koolstof lost niet op in polymeren, dus gebruikte de onderzoeker een kleurstof van chemieconcern BASF die eigenlijk is bedoeld voor het aaneen ‘lassen’ van plastics.

Verder was een speciale NIR-laser nodig met een divergerende bundel en een golflengte rond de 780 nanometer (nm).

De bredere lichtstraal zorgt voor een juiste spreiding van warmte en voorkomt te hoge temperaturen. En de speciale golflengte is nodig omdat de piekwerking van de kleurstof bij 780 nm ligt. Daarbij is rekening gehouden met de verstrooiing en absorptie van licht door de huid en onderhuids weefsel. Vertommen: “Voor het onderzoek heb ik een laser als NIR-bron gebruikt, maar het is de bedoeling om deze te vervangen door goedkopere en meer handzame LED-technologie voor thuisgebruik of toepassing in een ziekenhuis. ”

Over de veiligheid hoeven patiënten zich geen zorgen te maken, vertelt Vertommen. De polymeren vormen spontaan een glasachtige oppervlaktelaag. Bij een breuk van het implantaat voorkomt dit zelfafsluitende mechanisme een abrupte overdosis medicijnen in het lichaam.

Experimenteel is in het lab en bij dierproeven vast komen te staan dat de methode van Vertommen werkt. Toch zit er een beperking aan vast. Als teststof werd ibuprofen gebruikt, dat relatief kleine moleculen heeft. De afgifte van grote moleculen zoals peptiden, waaruit eiwitten zijn opgebouwd, is echter onmogelijk.
Als alternatief mechanisme bedacht Vertommen daarom een hydrogel die zwelt en krimpt rond de zogeheten ‘laagste kritische oplosbaarheidtemperatuur’ (LCST). Het medicijnreservoir wordt daarbij bedekt met een hydrogel laag. Boven de LCST van de gel, zorgt de opgezwollen toestand ervoor dat het microporeuze membraan slechts gedeeltelijk bedekt is, waardoor eiwitten erdoorheen kunnen glippen via de onbedekte poriën. Beneden de LCST zal het membraan volledig bedekt zijn en kunnen eiwitten niet ontsnappen. “Ik heb het principe onderzocht en aangetoond dat het werkt. Voor medicijnafgifte door nabij-infrarode straling is een paar jaar geleden een patent aangevraagd. Maar je moet je realiseren dat er strikte eisen worden gesteld aan het polymeer. En dat voor elk nieuwe medicijn/polymeercombinatie nieuwe oplosbaarheid en diffusiedata moeten worden bepaald. Er is nog een lange weg te gaan voordat deze toepassing op de markt verschijnt.”

Vertommen verrichtte zijn PhD-onderzoek binnen de Procesontwikkelingsgroep (SPD) van de faculteit Scheikundige Technologie. Deze vakgroep is intussen onderdeel geworden van de groep Chemische Reactorkunde. Vertommen verdedigt 16 november zijn proefschrift ‘ Near-infrared induced release for localized on-demand drug delivery’. (FvO)/.