Nanotechnologie - entwicklung eines nanopartikelinhalators für pferde

Aus der tierärztlichen Praxis Dr.Hans Peter Zarfl,
dem Institut für Pharmazeutische Wissenschaften, Abt.Pharmazeutische Technologie, der
Karl-Franzens-Universität Graz und der Naturwissenschaftlichen Fakultät, FB
Materialforschung und Physik, der Universität Salzburg
Nanotechnologie - Entwicklung eines Nanopartikelinhalators für Pferde

A.Zimmer, P:Madl, H.P. Zarfl (Verfasser)

Schlüsselwörter: Nanopartikel, Pferdetherapie, Atemwegserkrankungen, Hauttherapie,
Aerosol

Zusammenfassung:
Ziel der Arbeit war die Entwicklung einer Maschine, welche aus Medikamenten Nanopartikel
erzeugen kann, um beim Pferd zur Therapie eingesetzt zu werden.
Ein Pferdeanhänger wurde mit dem Zerstäuber ausgestattet und die Kontrolleinheiten in
einem getrennten Raum eingebaut.
Der Zerstäuber wurde physikalisch getestet, um Größe und Größenverteilung der
Nanopartikel zu zeigen. Zudem wurde untersucht, ob es beim Einsatz von Medikamenten
durch die Zerstäubung zu Zerstörung der Wirkstoffe kommt. Diese Testung wurde mit
Penicillin G durchgeführt.
Eine hauptsächliche Partikelgröße zwischen 60 und 520 nm wurde gefunden und es wurde am
Beispiel von Penicillin G bewiesen, dass es zu keiner Zerstörung von pharmazeutischen
Wirkstoffen kommt.
Medizinische Therapien mit den Vorteilen der Nanotechnologie für Atemwegserkrankungen
und der Haut können mit dieser Anlage beim Pferd durchgeführt werden.
Keywords: nanoparticle, treatment of horses, airway diseases, skin treatment, aerosol
Extended Summary
Introduction
The aim of this work was the development of a machine, which allows producing
nanoparticles out of pharmaceutics for the treatment of horses. Nanoparticleinhalation is a
new category of treatment with higher efficacy and advances.
Material and methods
A new jet-spray system was developed and tested for particle size and distribution of particle
size in the nanoscale. The testing was done at the University of Salzburg. In addition to that,
we used a HPLC-unit for detecting destruction of pharmaceutics.
A horse trailer was fitted with the machine and the control unit was installed in an extra room
in front of the horses.
Results
The size of particles were in the range from 11,1 to 930,5 nm. Most of them were between 60
and 520 nm.
We tested penicillin G and found no signs of molecular destruction with the help of HPLC.
Dr. Hans Peter Zarfl
Conclusion
Medical treatment with the advances of nanoparticles for airway diseases and skin treatment
is practicable with this machine. Airway diseases and skin therapy should be the field of use
of nanoaerosols not only in horses.
Einleitung
Ziel der Arbeit war die Entwicklung eines Nanopartikelzerstäubers zur Therapie beim Pferd.

Nanotechnologie ist sowohl in der Medizin als auch in der Tiermedizin technologisches wie
klinisches Neuland. Es gibt sehr wenige Arbeiten, die sich mit Nanotechnologie beim Tier,
speziell Pferd, beschäftigen.
Zur Therapie der COPD beim Pferd wurden seit einigen Jahren Ultraschallvernebler zur
Erzeugung von Arzneimitteldämpfen verwendet. Partikelgrößen zwischen 50 und 200µm
wurden für Chitosan gemessen ALBERTINI et al. (2005) und ermöglichen das Eindringen
des so zerstäubten Wirkstoffes hauptsächlich in den oberen Atmungstrakt.
Größenvergleiche von inhalierten Partikeln und deren Eindringen und Ablagerung im
Atmungstrakt liegen für den Menschen gültig vor (ROGUEDA , TRAINI, 2007).
Beim Pferd wurde Aerosolablagerung in der Lunge nach Zerstäubung mit einem
Ultraschallvernebler mit Hilfe der Gamma-Szintigraphie untersucht und nachgewiesen
(VOTION et al. 1997).
Durch die relativ große Partikelgröße von Mikropartikeln kommt es hauptsächlich im
Nasolaryngealraum bis zur Trachea zur Entfaltung des therapeutischen Effektes (FARKAS,
BALASHAZY, SZOCS , 2006).
Nanopartikel hingegen gelangen in die Lungenalveolen und bieten so ein ideales Feld zur
Lungentherapie (YANG, PETERS, WILLIAMS, 2008).
Inhalationstherapie spielt eine größer werdende Rolle in der Therapie des Respirationstraktes
von Pferden, weil damit im Vergleich zur systemischen Medikation höhere lokale
Wirkspiegel erreicht werden können, während sich Nebenwirkungen und Rückstände im
Körper vermindern (DUVIVIER, 1997).
Ein Massenvergleich macht den Unterschied der Technologien in der Therapie deutlich.
Die Masseberechnung erfolgt mit der bekannten Formel: M= 4 π r3 /3
Mikropartikel mit einem Durchmesser von 2 µm (2000nm) haben im Vergleich zu
Nanopartikeln mit einer Größe von 2 nm den gleichen Masseunterschied wie etwa ein Karat
(0,2g) zu 200 Tonnen!
Nanopartikelaerosole ermöglichen eine neue Kategorie der Inhalationsmedizin, die
vorteilhafter und effektiver ist als bisherige Aerosole (PARTEL, VAVIA, 2007).
Gerade bei schlecht wasserlöslichen Substanzen und Proteinen ist das Nanoaerosol von
wesentlichem Vorteil (YANG, 2008).
Es wurde in einem Versuch gezeigt, dass Lungentumorbehandlung beim Hamster mit
eingeatmeten Nanopartikel aus 5-fluorouracil wirksam war (HITZMAN, 2006).
In Indien wurde die Technologie zur Tuberkulosebekämpfung eingesetzt und erzielte überaus
gute Ergebnisse (ZAHOOR et al., 2005).
Nanopartikel erscheinen nicht nur zur Therapie des Atmungstraktes geeignet, sondern gelten
auch als Technologie der Zukunft in der Dermatologie (CURTIS et al., 2006).
´
Dr. Hans Peter Zarfl
Material und Methoden

Die Erzeugung von medizinischen Nanoaerosolen wird durch einen eigens entwickelten
Druckzerstäuber (Lindena / Zarfl) ermöglicht. Die Partikelgröße und -verteilung wurde im
Radiologischen Messlabor der Universität Salzburg (Ing. Mag. P. Madl) mittels
Aerosolmonitor gemessen.
Neben der physikalischen Testung wurde festgestellt, ob bei Verwendung von
hochwirksamen Medikamenten durch den Antrieb eventuell unbekannte
Degradationsmetaboliten entstehen, oder Wirkstoffe zerstört werden und dadurch die
gewünschte Therapiewirkung ausbleibt. Diese Prüfungen fanden am Institut für
Pharmazeutische Wissenschaften in Graz (Prof. Zimmer / Prof. Wintersteiger) statt.
Der Zerstäubungsnebel musste dafür unter international standardisierten Bedingungen
aufgefangen werden. Danach wurde der aufgefangene Nebel mit einem beigefügten Standard
mittels HPLC analysiert.
Der neuartige Antrieb hat zwei parallele Zerstäubungssysteme. Eine hydrophile und eine
getrennte lipophile Einheit ermöglichen die Erzeugung von Nanopartikeln auch aus lipophilen
Wirkstoffen.
Der Antrieb wurde in einen Pferdeanhänger eingebaut (Abb.1) und mit den notwendigen
Steuerelementen versehen (Abb.2).
Zur Therapie wird das Pferd in den Anhänger geführt und die Heckklappe verschlossen. Der
Therapeut kann aus der abgetrennten Steuerkabine den Antrieb befüllen und das Verfahren
starten. Über einen Tubus wird das Nanopartikelaerosol in die Kabine eingeblasen (Abb.3)
bzw. kann auch über eine Maske vom Pferd eingeatmet werden.
Dr. Hans Peter Zarfl

Ergebnisse
Es wurde die Partikelkonzentration (Teilchen pro cm3) über der Partikelgröße (nm)
aufgetragen.
Bei der physikalischen Messung wurden Partikel in der Größe von 11,1 bis 930,5 nm
gefunden. Der Hauptteil der freigesetzten Partikel war im Bereich 60 bis 520 nm (Abb. 1).
Die HPLC-Untersuchungen zeigten am Beispiel von Penicillin G keine Degradation des
Wirkstoffes. Es konnten keine Metaboliten gefunden werden. Für Dexamethason konnte auf
Grund der stabileren Molekülstruktur ebenso keine Zerstörung in der Zerstäubung postuliert
werden (mündliche Mitteilung WINTERSTEIGER, 2008).
Die Errichtung einer mobilen Therapieeinheit für das Pferd zur Nutzung der Vorteile von
Nanopartikel konnte verwirklicht werden.

Diskussion
Die Technologie scheint für vielerlei Erkrankungen wesentliche Vorteile zu haben.
Körpermetabolismus und Verdünnungseffekt werden durch die direkte Anlagerung der
Nanopartikel umgangen.
Über die lokalen Effekte von Nanopartikeln auf zellulärer Ebene ist relativ wenig bekannt.
Arzneimittelpotenz und Wirkstofftyp müssen mit der Technik genau abgestimmt sein.
Dr. Hans Peter Zarfl
In der Therapie der Atemwege beim Menschen liegen einige sehr positive Erfahrungen zur Asthmatherapie vor. Ob die Wirkstoffe und die Dosierungen für das Pferd einfach übernommen werden können, ist zu bezweifeln. Trotzdem scheinen die Vorteile der schlagkräftigen lokalen Therapie, der einfachen Anwendung und der praktisch fehlenden Nebenwirkungen und Rückstände im Blut beim Pferd, die Hauptrolle zu spielen. Die Verwendung von Nanopartikelstaub zur Infektionsbekämpfung hat sich beim Menschen im Falle der TBC bewährt und man kann für Tiere ähnlich positive Ergebnisse erwarten. Abseits von pharmakologischen Wirkstoffen sollten andere Substanzen, wie z. B. Citrat in Form von Nanoaerosolen, zur Prophylaxe infektiöser Atemwegserkrankungen am Nutztiersektor bedacht werden. Nanoaerosole können auch über Klimaanlagen mit beliebiger Zeitsteuerung in ganze Stallräume eingebracht und mit Hilfe von Citrat könnte eine sinnvolle Atemwegsinfektionsprophylaxe durchgeführt werden. Dies erscheint vor allem im Nutztiersegment eine gangbare Möglichkeit zu sein um antibiotische Wirkstoffe zu sparen und die Rückstandsproblematik zu umgehen. Mit der beschriebenen Anlage steht der gesamte Arzneimittelschatz zur Verfügung um daraus Nanopartikel zu erzeugen. Die Nanopartikeltechnologie ist nicht nur für das Pferd, sondern für alle Tierarten ein interessantes Feld und wird in Zukunft ein wesentlicher Teil der Medizin sein. Dr. Hans Peter Zarfl
Literatur
Albertini B, Passerini N, Rodriguez L.
J Pharm Pharmacol, 2005 Jul; 57(7):821-9
Curtis J, Greenberg M, Kester J, Phillips S, Krieger G.
Duvivier DH, Voiton D, Vandenput S, Lekeux P. Vet J. 1997 Nov; 154(3): 189-202 Farkas A, Balashazy I, Szocs K. Hitzman CJ, Wattenberg LW, Wiedmann TS. Indian J Exp Biol. 2007 Feb;45(2):166-74 Expert Opin Drug Deliv. 2007 Nov;4(6):607-20 Votion D, Ghafir Y, Munsters K, Duvivier DH, Art T, Lekeux p. Equine Vet J. 1997 Sep;29(5): 388-93 Yang W, Peters JI, Williams RO 3rd Int J Pharm. 2008 May 22;356(1-2):239-47. Epub 2008 Feb 16 Int J Antimicrob Agents. 2005 Oct; 26(4):298-303
Anschrift des Verfassers

Dr. Hans Peter Zarfl,Auen 23, 9400 Wolfsberg, Austria

Dr. Hans Peter Zarfl

Source: http://www.zarflvet.at/Grafik/WTM%20Artikel.pdf