DE19947263A1

DE19947263A1 - Körperdynamische Implantatbeschichtungen

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Publication number: DE19947263A1
Application number: DE1999147263
Authority: DE
Inventors: Herbert Jennissen; Alfons Fischer; Abderamman Machraoui
Original assignee: Dendron GmbH
Current assignee: EFMT-ENTWICKLUNGS- UND FORSCHUNGSZENTRUM FUER MIKR
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2001-04-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft beschichtete Implantate zur Verwendung in human- oder tiermedizinischen Verfahren, deren Beschichtung so ausgebildet ist, daß sie in situ nach Erschöpfung der zur Beschichtung gehörenden Wirksubstanz erneut mit Wirksubstanz beladen werden können. Auf diese Weise soll eine wirksame lokale Langzeittherapie in Verbindung mit verschiedenen Implantationsverfahren gewährleistet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft beschichtete Implantate, deren Beschichtun gen einen oder mehrere fixierte Bindungspartner eines oder mehrerer Bin dungspaare aufweisen, und durch die nicht-kovalenten Interaktionen der beiden Bindungspartner miteinander die wiederholte Beladung des Implantates mit den nicht fixierten Bindungspartnern in situ ermöglichen und so eine wiederholbare Erhöhung der lokalen Konzentration an nicht fixierten Bindungspartnern, z. B. antiproliferativen oder antiphlogistischen Substanzen zur Einwirkung auf das umgebene Gewebe, erlauben.

Einhergehend mit den veränderten Lebensbedingungen der Leistungsgesell schaft gehören Herz-Kreizlauf-Erkrankungen in Industrienationen zu den häufig sten Todesursachen unserer Zeit. Auch im Zusammenhang mit immer höheren Lebenserwartungen wird die Behandlung von Krankheitsbildern des athe rosklerotischen Systemkreises zu einem zunehmend großen Kostenfaktor im Gesundheitssystem.

Atherosklerotische Veränderungen führen zur Gefäß-Stenose. Sie werden ent weder systemisch oder im Falle größerer Gefäße mechanisch behandelt. So ist beispielsweise die perkutane transluminale coronare Angioplastie (PTCA), auch als Ballonangioplastie bezeichnet, das Hauptbehandlungsverfahren für stenoti sche Coronargefäße. Diese Ballondilatation führt zwar zunächst mit hoher Er folgsrate zur Gefäßaufweitung und einer dadurch bedingten verbesserten Durchblutung, diese Behandlung resultiert jedoch in über 35% der Fälle in einer Restenose und damit der Wiederkehr des Krankheitsbildes.

Um solchen Restenosen vorzubeugen, ist es Stand der Technik, coronare Ge fäßstützen, sogenannte coronare Stents einzusetzen, die auf mechanischem Wege den minimalen Gefäßdurchmesser gewährleisten sollen. Da es sich hier bei jedoch um eine rein mechanische Methode handelt, kann die Restenose ins besondere der an den Stents seitlich angrenzenden Gefäßwandung auf diese Weise nicht verhindert werden, weil die die Restenose bedingenden Ge webeveränderungen nicht ursächlich bekämpft werden.

Im Zusammenhang mit der modernen medizinischen Forschung wurden die Gefäßrestenose bedingende Kausalzusammenhänge in den letzten Jahren zu nehmend aufgedeckt. Es wird allgemein angenommen, daß die Restenose durch eine neointimale Hyperproliferation im Zusammenhang mit der Umbildung der Extrazellulärmatrix bedingt wird. Auslöser dieser Hyperproliferation ist wahr scheinlich die durch die Angioplastie bedingte Traumatisierung des Gewebes, sowie die nachfolgende stärkere Durchblutung.

Da die mechanischen Methoden der Gefäßerweiterung hinsichtlich des Lang zeiterfolges nicht zufriedenstellend sind, wird daher versucht, in die ursächlichen Zusammenhänge einzugreifen und das Auftreten von Restenosen kausal zu verhindern, indem man die proliferativen und entzündlichen Reaktionen inhibiert.

Beim systemischen Therapieansatz werden antiphlogistische, antithrombotische oder antiproliferative Substanzen wie z. B. Acetylsalicylsäure, Triazolopyrimidin (ein PDGF-Antagonist), Warfarin oder Corticosteroide systemisch in Kom bination mit oder im Anschluß an den Einsatz mechanischer Methoden, wie dem coronaren Stenting eingesetzt. Diese systemische Vorgehensweise ist zwar in Hinsicht auf die Vorbeugung der coronaren Restenose sehr erfolgreich, allerdings müssen, um lokal ausreichende Wirkkonzentrationen zu erreichen, systemisch hohe Dosen der entsprechenden aktiven Substanzen über einen langen Zeitraum eingesetzt werden.

Es kann daher in Folge der systemischen Überschwemmung über lange Zeit perioden zu Nebenwirkungen wie hämorrhagischen Komplikationen bei Gabe der antithrombotischen Substanzen oder dem Auftreten des Cushing-Syndroms in Verbindung mit der Applikation von Corticosteroiden kommen.

Um solche Nebenwirkungen zu verhindern, wurde versucht, dem restenoti schem Krankheitsbild durch lokale Therapieverfahren vorzubeugen. Es handelt sich dabei in der Regel um Verfahren, bei denen die verwendeten coronaren Stents mit einer biologisch aktiven Matrix beschichtet werden, die den Vorgän gen, die zur Restenose führen, entgegenwirken sollen.

Ein solcher Therapieansatz ist die Verwendung von Stents, welche eine radio aktive Beschichtung aufweisen. So beschreibt die WO 99 42 177 die Verwen dung eines radioaktiven Stents, welcher durch ein Radiosotop aus der Gruppe aus P³², I¹²⁵, Pd¹⁰³, W/Re¹⁸⁸, A_S ⁷³ oder Gd¹⁵³ die Hyperproliferation der Intima zu verhindern sucht. Zwar haben Versuche mit P³²-coronaren Stents gute Erfolge hinsichtlich der Verhinderung von Restenosen bis 30 Tage nach Gefäßerweite rung ergeben, jedoch ist die Verwendung radioaktiver Isotope immer mit einem gewissen Risiko verbunden. So kann die Einwirkung radioaktiver Strahlung zu entzündlichen Reaktionen, Nekrosen, hämorrhagischen Komplikationen und in Folge einer möglichen Schädigung des Erbgutes langzeitlich zur Canceroge nese führen. Es ist weiterhin bekannt, daß eine externe Strahlentherapie zur Verhinderung der Restenose nach einer coronaren Stent-Implantation die neointimale Hyperplasie durch die Begünstigung der Proliferation glatter Mus kelzellen in Kombination mit einer Akkumulation der Extrazellulärmatrix ver stärkt. Es könnte sich daher die Verwendung radioaktiver Stents analog auf die umgebenden Gefäße auswirken und dort stenotische Gefäßveränderungen auslösen. Da bislang keine Langzeitstudien hinsichtlich dieser Therapieform vorliegen, sind mögliche Spätfolgen der radioaktiven Strahlung zur Zeit nicht ab zusehen.

Ein weiterer neuer Therapieansatz ist die Verwendung von Stents mit einer Be schichtung, die pharmazeutisch bzw. biologisch aktive Substanzen abgibt. Bei dieser Therapieform werden ebenfalls antithrombotische, antiphlogistische, anti mikrobielle oder antiproliferative Substanzen verwendet, durch die lokale Ab gabe sollen jedoch die mit der systemischen Überschwemmung einhergehen den Nebenwirkungserscheinungen vermieden werden. Diese Substanzen wer den dabei entweder physikalisch durch die Einbringung in Aushöhlungen oder Poren im Stent-Material, die Verwendung colloidaler Matrices zur Speicherung der pharmakologischen Wirksubstanzen auf dem Stent oder durch direkte Kopplung mit aktivierten chemischen Gruppen auf der Stent-Oberfläche fixiert. Der Nachteil dieser Methode ist jedoch, daß nur geringe Mengen bioaktiver Substanzen auf diese Weise eingesetzt werden können und sich ihre lokale Wirkung folglich zu schnell erschöpft, um effektiv eine Restenose zu verhindern. Im Fall der Lösung der bioaktiven Substanzen in einer colloidalen Matrix oder der physikalischen Einbringen in Aushöhlungen kommt es zuerst zu einer relativ hohen lokalen Ausschüttung, die sich schnell erschöpft, so daß die Wirk konzentration schnell unterschritten wird und restenotische Prozesse nicht un terbunden werden.

Einzig die kovalente Aufbringung der Wirksubstanzen an aktivierte chemische Gruppen auf der Stent - Oberfläche gewährleistet ein langzeitiges Einwirken auf das Zielgewebe. Da die Wirksubstanz jedoch an der Oberfläche fixiert ist, kann hierbei nur ein begrenztes Repertoire an Substanzen eingesetzt werden, da sich Substanzen, die vom Zielgewebe aufgenommen werden müssen wie z. B. Ste roidhormone, welche an intrazelluläre Rezeptoren binden müssen, nicht für diese Therapieform eignen.

Zur Therapie lokaler intrakorporaler Defekte wie coronarer Stenosen oder auch anderer Krankheitsbilder ist es daher notwendig, eine Therapieform zu schaffen, die die Effektivität einer systemischen Therapie ohne deren Nebenwirkungen er reicht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die langzeitig effektive lokale Ausschüttung einer möglichst breiten Palette bioaktiver Substanzen ohne die dauerhaft hohe systemische Konzentration dieser Substanzen zu gewährleisten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein beschichtetes Implantat gelöst, dessen Beschichtung einen oder mehrere am Implantat fixierte Bindungspartner eines oder mehrerer Bindungspaare aufweist, die mit einem oder mehreren nicht-fixierten Bindungspartnern nicht-kovalent interagieren, so daß bei voll ständiger Beladung die Konzentration des oder der nicht-fixierten Bindungs partner auf der Oberfläche des Implantates eine andauernde, kontinuierliche Abgabe des oder der nicht-fixierten Bindungspartner an die Umgebung des Implantates bis zur Erschöpfung ermöglicht.

Die Bindungspartner interagieren dabei vorzugsweise über spezifische zwei- oder dreidimensionale, zueinander komplementäre Interaktionsoberflächen miteinander.

Erfindungsgemäße fixierte Bindungspartner können kovalent auf der Implantat- Oberfläche angebrachte Bindungspartner sein. Erfindungsgemäße fixierte Bindungspartner können weiterhin auch durch Molekül-Imprinting-Polymere geformte zwei- oder dreidimensionale Strukturen sein, die komplementär zu den Interaktionsoberflächen der entsprechenden nicht-fixierten Bindungspartner sind. Die erfindungsgemäße Rekrutierung nicht-fixierter Bindungspartner erfolgt dann über die hochspezifische Interaktion zwischen Oberflächen-Strukturen der auf dem Implantat aufgebrachten stationären Molekül-Imprinting-Polymerphase und komplementären nicht-fixierten Bindungspartnern.

Die nicht-kovalente Interaktion der beiden Bindungspartner des Bindungspaares führt dabei zu einer lokalen Einstellung eines Dissoziationsgleichgewichtes zwischen dem fixierten und dem nicht-fixierten Bindungspartner in Abhängigkeit von der Umgebungs-Konzentration an nicht-fixierten Bindungspartnern, der Konzentration an fixierten Bindungspartnern in der Beschichtung, der Disso ziationskonstante zwischen den Bindungspartnern und der Beladung des fi xierten Bindungspartners mit nicht-fixierten Bindungspartnern.

Eine kurzfristige systemische oder durch lokale Injektion bewirkte Erhöhung der an nicht-fixierten Bindungspartnern führt an der Implantatoberfläche zur Bela dung des fixierten Bindungspartners mit nicht-fixierten Bindungspartnern. Nach Absinken der Umgebungs-Konzentration kommt es dann durch die Einstellung des lokalen Dissoziationsgleichgewichtes zu einer langzeitigen gepufferten Abgabe an nicht-fixierten Bindungspartnern. Die Konzentration an nicht-fixierten Bindungspartnern bleibt in Implantat-Nähe folglich auch nach Absinken der Umgebungskonzentration (z. B. der Plasma-Konzentration oder der systemischen Konzentration) erhöht, bis sich die "Aufladung" mit nicht-fixierten Bindungspartnern erschöpft hat.

Nach Erschöpfung der Beladung kann so eine wiederholte Aufladung durch die kurzfristige Erhöhung der Umgebungskonzentration in Folge oraler Gabe oder intravenöser oder lokaler Injektion erfolgen.

Bei Verwendung von nicht-fixierten Bindungspartnern, die ohnedies in der das Implantat umgebenden Körperflüssigkeit, z. B. dem Serum vorkommen, findet eine andauernde lokale Anreicherung an nicht-fixierten Bindungspartnern aus der Umgebung statt, sofern die Konzentration der fixierten Bindungspartner deutlich über der Dissoziationskonstante (KD) liegt.

Die vielfach wiederholbare batterieartige Aufladung der Implantat-Beschichtung gewährleistet dabei eine erhöhte lokale Konzentration lange nach dem Absinken der Plasmakonzentration unter die Wirk-Konzentration an nicht-fixierten Bindungspartnern. Durch die Wiederbeladbarkeit dieser Beschichtung und die kontinuierliche Erschöpfung an nicht-fixierten Bindungspartnern, kann so eine langzeitig wirksame lokale Therapie gewährleistet werden ohne die Nebenwir kungen einer langzeitigen systemischen Überschwemmung. Zweckmäßiger weise hat ein erfindungsgemäßes beschichtetes Implantat eine Wirkdauer von mindestens 2 Wochen, ggf. nach mehrfacher "Wiederbeladung".

Die Bindungspartner sollen dabei natürliche oder modifizierte organische Ver bindungen, pharmakologisch und/oder biologisch wirksamen Substanzen oder supramolekulare Komplexe und Gebilde oder Fragmente derselben oder Kom binationen davon enthalten oder aus diesen bestehen. Diese Bindungspartner enthalten vorzugsweise eine zwei- oder dreidimensionale komplementäre Passform des anderen Bindungspartners, die eine hoch-affine Bindung ermög licht. Der Einsatz fragmentarischer oder modifizierter Bindungspartner kann da bei, insbesondere im Falle der fixierten Bindungspartner eine verlängerte Wirk dauer durch erhöhte Stabilität bewirken. Ebenso kann beispielsweise durch die Veränderung oder Abspaltung bestimmter Anteile die Reaktivität eines Bin dungspartners mit Molekülen unterbunden werden, die sich nachteilig auf den therapeutischen Zweck auswirken. Eine solche erhöhte Spezifität gewährleistet die gezielte Rekrutierung der Wirksubstanz (dem nicht-fixierten Bindungspart ner).

In einer weiteren Ausführungsform enthält ein erfindungsgemäßes Implantat eine aufgebrachte stationäre Molekül-Imprinting-Phase, deren Interaktionsober flächenstrukturen als fixierte Bindungspartner dienen.

Als organische Verbindungen können insbesondere die im folgenden genannten Verbindungen eingesetzt werden, wobei auch Modifikationen oder Fragmente, die die jeweils erwünschte Wirkung zeigen, in Frage kommen:

Aminosäuren, Peptide, Proteine, Fettsäuren, Nukleotide, Nukleinsäuren, Koh lenhydrate, vorzugsweise Rezeptormoleküle, Enzyme, Antikörper, Wachstums faktoren, Cytokine, Zellzyklusinhibitoren, Hormone, biogene Amine oder Gerin nungsfaktoren.

Erfindungsgemäß eingesetzte Nucleinsäuren können alle Arten von Nucleinsäu ren oder Nucleinsäure-Derivaten sein, die sich für den Einsatz als erfindungs gemäße Bindungspartner eignen.

Die Beschichtung des erfindungsgemäßen Implantates kann sinngemäßerweise entzündungshemmende, proliferationshemmende oder proliferationsfördernde, coagulationshemmende oder coagulationsfördernde, antimikrobielle, antivirale, immunosuppressive oder immunogene, chemotaktische, differenzierungsför dernde oder differenzierungshemmende pharmakologisch und/oder biologisch wirksame Substanzen oder eine Kombination daraus enthalten. Als supramole kulare Komplexe und/oder Gebilde können vorzugsweise eukaryontische Zellen, besonders bevorzugt Entzündungs- und/oder Abwehrzellen, insbesondere Leukozyten in natürlicher oder veränderter Form oder Fragmente derselben ein gesetzt werden.

Da die bindungsfähigen Oberflächen in der folgenden aufgeführten Interakti onspaare eine hohe Spezifität aufweisen, können vorzugsweise ihre Interaktio nen als Grundlage für die Ausbildung von Bindungspaaren erfindungsgemäß beschichteter Implantate verwendet werden:

Protein und Ligan, Protein und Nucleinsäure, Antigen/Hapten und Antikörper, Rezeptor und Hormon, Enzym und Substrat; weiterhin bevorzugt sind die Interaktionen zwischen: Nucleinsäure mit komplementärer Nucleinsäure, organische Verbindung mit Zielzelle/Rezeptor, vorzugsweise Hormon mit Zielzelle/Rezeptor, Wachstumsfaktor mit Zielzelle/Rezeptor, Antigen/Hapten mit Entzündungs- und/oder Abwehrzelle, vorzugsweise Leukozyt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäß be schichteten Implantates kann die Interaktion der stationären Phase aus Molekül- Imprinting-Polymeren mit einem erfindungsgemäßen nicht-fixierten Bindungs partner als Bindungspaar eingesetzt werden.

Erfindungsgemäße Antikörper sind prinzipiell alle möglichen Arten an Antikör pern, sofern ihre Spezifität und Affinität ausreichend ist, eine erfindungsgemäße Interaktion mit dem entsprechenden Bindungspartner einzugehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen beschichteten Implantate können als Antikörper monoklonale Antikörper oder rekombinante mono- oder multispezifische Antikörper verwendet, da es sich bei diesen um hinsichtlich Spezifität und Affinität gut zu definierende Spezies handelt. Weiter hin sind monoklonale und rekombinante Antikörper prinzipiell unbegrenzt her stellbar. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung rekombinanter Antikörper, da diese durch gezieltes molekulares Modelling in breiter Vielfalt und genauen Ab stufungen hinsichtlich Spezifität und Affinität hergestellt werden können.

Zweckmäßigerweise kann die Implantatbeschichtung auch eine Kombination mehrer verschiedener Bindungspaare aufweisen. Eine solche Ausführungsform ermöglicht beispielsweise die Durchführung einer lokalen Kombinationstherapie unter Verwendung verschiedener Wirksubstanzen. Auf diese Weise können mehrere Ursachen und/oder Symptome eines lokalen Defektes oder mehrere unterschiedliche, in Zusammenhang stehene lokale Defekte gleichzeitig be handelt werden.

Um eine genügend hohe Wirkkonzentration an nicht-fixiertem Bindungspartner zu erzielen, beträgt die Dissoziationskonstante der Bindungspartner vorzugsweise zwischen 1 und 250 nmol/l. Auf diese Weise wird eine ausrei chende Rekrutierung des nicht-fixierten Bindungspartners und eine hohe Spezi fität der Interaktion gewährleistet.

In einer bevorzugten Ausführungsform enthalten erfindungsgemäß beschichtete Implantate als Bindungspaare Corticosteroide mit Corticoidrezeptor, vorzugs weise Glucocorticoide mit Glucocorticoidrezeptor und besonders bevorzugt Cortisol mit Cortisolrezeptor und/oder Cortisol mit Cortisol-bindendem Globulin (Transferrin) und/oder Cortisol mit Serum-Albumin und/oder Cortisol mit Anti- Cortisol Antikörper. Weitere bevorzugte Ausführungsformen enthalten BMP mit BMP-Rezeptor und/oder BMP mit ant-BMP-Antikörper als Bindungspaare. Auch die Verwendung von coagulationsfördernden Substanzen und entsprechenden Bindungspartnern ist oder der Einsatz stationärer Molekül-Imprinting-Oberflä chenstrukturen mit erfindungsgemäßen nicht-fixierten Bindungspartnern ist zweckmäßig.

Zur Behandlung von Coronarstenosen sollen dabei vorzugsweise Steroide, be sonders bevorzugt Glucocorticoide als nicht-fixierte Bindungspartner eingesetzt werden, die durch als fixierte Bindungspartner eingesetzte Glucocorticoidre zeptoren, spezifische Antikörper oder andere Glucocorticoid-bindende Proteine an die Implantatoberfläche rekrutiert werden. Steroide im Sinne der Erfindung umfassen sowohl natürlich Steroide in veränderter oder unveränderter Form als auch deren Analoga. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfin dungsgemäß beschichteten Implantates verwendet als nicht-fixierten Bindungs partner Cortisol, welches dann durch einen Glucocorticoidrezeptor, Cortisol-bin dendes Globulin (Transferrin), Serum-Albumin oder monoklonale bzw. polyklo nale Antikörper gegen Cortisol als fixierte Bindungspartner lokal angereichert wird.

Zweckmäßigerweise enthält ein erfindungsgemäß beschichtetes Implantat Me tall oder Metallegierungen, vorzugsweise 316 L medizinischen Stahl, Titanwerk stoffe, vorzugsweise Reintitan oder Nickel-Titan-Legierungen, Keramikwerk stoffe, Kunststoffe, vorzugsweise Polyurethan, Polyalkylenverbindungen oder Polytetrafluorethylenverbindungen oder einer Kombination aus diesen. Erfin dungsgemäße Titanwerkstoffe sind dabei sowohl alle vorteilhaften Titan-Legie rungen als auch Reintitan.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform ist auch ein Implantat mit einem Kunststoffkern, welcher von Metall ummantelt ist. Auf diese Weise können die günstigen Eigenschaften von Kunststoff wie die geringe Dichte und das dadurch bedingte geringe Gewicht mit den vorteilhaften Eigenschaften von Metall kom biniert werden. Die Metallummantelung verhindert dabei durch Abschirmung gegenüber dem Körpergewebe und den Körperflüssigkeiten die Korrosion des Kunststoffes.

Zweckmäßige Ausbildungen des erfindungsgemäßen Implantates sind die ein fache oder verzweigte Röhre, Platte, Stift, Nagel, Kugel, Klammer oder Draht oder einer Kombination aus mehrerer dieser Formen. Die Struktur des erfin dungsgemäßen beschichteten Implantates kann dabei durchgängig oder mit Lücken versehen sein. Eine Ausbildung als netzartige Struktur und die dadurch bedingte erhöhte Elastizität ist zweckmäßig bei Anwendungen, für die eine Bei behaltung der Elastizität des Körpergewebes vorteilhaft ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform hat das erfindungsgemäß beschichtete Implantat eine Oberfläche aus elektropoliertem und/oder oxidiertem Stahl. Ein solches beschichtetes Implantat weist eine Schicht an fixierten Bindungspart nern zwischen 1-3000 ng/cm²-Oberfläche auf. Besonders bevorzugt ist dabei die Ausführung eines beschichteten Implantates mit einer Oberfläche aus elek tropoliertem Stahl, mit zwischen 1-300, vorzugsweise 5-200, besonders be vorzugt 10-100 und insbesondere 20-50 ng/cm², bzw. mit einer Oberfläche aus oxidiertem Stahl mit zwischen 1-3000, vorzugsweise 50-2000, besonders bevorzugt 100-1500 und insbesondere 200-1000 ng/cm² an fixierten Bin dungspartnern.

Die kovalente Aufbringung der fixierten Bindungspartner auf die Oberfläche des Implantates erfolgt dabei im Falle metallischer Oberflächen durch die kovalente Verknüpfung von Metalloxidmolekülen mit reaktiven Gruppen der als fixierte Bin dungspartner einzusetzenden Biomoleküle wie beispielsweise Proteinen oder Nukleinsäuren. Bei Verwendung keramischer Implantatoberflächen können akti vierte Hydroxyl-Gruppen und bei Verwendung von Kunststoff-Oberflächen freie Amino-Gruppen zur kovalenten Fixierung der Biomoleküle eingesetzt werden.

Es gilt dabei, auf der Oberfläche des Implantates eine Mindestkonzentration an nicht-fixierten Bindungspartnern zu erreichen, die zweckmäßigerweise minde stens zehnfach über der Umgebungskonzentration, wie z. B. der Plasmakonzentration an nicht-fixierten Bindungspartnern liegt. Dazu muß eine möglichst hohe Konzentration von fixiertem Bindungspartner in der Implantatbeschichtung erreicht werden. Erfindungsgemäß liegt die Konzentration der fixierten Bindungspartner in der Implantatbeschichtung min destens 10-fach höher als die KD des Bindungspaares. Da davon ausgegangen werden muß, daß nicht jedes Molekül an fixiertem Bindungspartner in der erfin dungsgemäßen Beschichtung des Implantates in aktiver Form vorliegt, wird vor zugsweise angestrebt, eine Konzentration an fixiertem Bindungspartner in der Beschichtung zu erreichen, die 10 bis 100-fach und besonders bevorzugt über 100-fach höher ist als die KD des Bindungspaares. Dadurch soll gewährleistet werden, daß selbst bei beispielsweise nur 10% aktiv-wirksamen fixierten Bin dungspartnern eine ausreichende Anreicherung an nicht-fixierten Bindungspart nern an der Implantatoberfläche stattfindet.

Eine solche hohe Immobilisierung fixierter Bindungspartner kann im Falle der kovalenten Fixierung sinngemäßerweise durch die Bereitstellung einer möglichst großen Anzahl verfügbarer reaktiver Gruppen auf der Implantatoberfläche erfolgen. Bei Verwendung metallischer Oberflächen kann beispielsweise die Anzahl der auf der Oberfläche verfügbaren Metalloxid-Einheiten erhöht werden. Dies kann beispielsweise durch die Behandlung der Metalloberfläche mit heißer, vorzugsweise bodensatzfreier Chromschwefelsäure und anschließender Entfernung freier Chrom-Ionen durch eine EDTA (Ethylendiamintetraacetat) Behandlung erfolgen. Eine weitere Erhöhung an reaktiven Gruppen zur kova lenten Fixierung der fixierten Bindungspartner kann erfindungsgemäß auch durch eine kovalente Verknüpfung der fixierten Bindungspartner mit Ankermo lekülen erfolgen, welche ihrerseits kovalent an der Oberfläche des Implantat materials fixiert sind. Bei Verwendung von Ankermolekülen, welche mehr reak tive Gruppen zur Bindung der fixierten Bindungspartner bereitstellen, als sie re aktive Gruppen der Implantatoberfläche zu ihrer eigenen Fixierung benötigen, kann so die Anzahl der fixierten Bindungspartner auf der Implantatoberfläche weiter gesteigert werden.

Die Beschichtung des erfindungsgemäß beschichteten Implantates kann auch in ein Hydrogel eingebettet sein. Auf diese Weise führt eine verzögerte Einstellung des Diffusionsgleichgewichtes zwischen der Konzentration in der erfindungsge mäßen Beschichtung und der Umgebungskonzentration an nicht-fixiertem Bin dungspartner zu einer zeitlich ausgedehnten Erschöpfung. Weiterhin ermöglicht die Einbettung der Beschichtung des erfindungsgemäßen Implantates die Be reitstellung eines Implantates, welches hinsichtlich der Beladung mit nicht-fi xierten Bindungspartnern übersättigt ist, weil zusätzlich zu der spezifischen Re krutierung durch den fixierten Bindungspartner auch eine unspezifische Lösung von nicht-fixierten Bindungspartner in der Gel-Matrix erfolgt. Auf diese Weise wird die besonders lang anhaltende Bereitstellung an nicht-fixierten Bindungs partner vor der ersten Erschöpfung gewährleistet und der Zeitpunkt der ersten Wiederbeladung verzögert.

Die erfindungsgemäß beschichteten Implantate sind zur Verwendung in human- oder tiermedizinischen Verfahren bestimmt. Dabei kommt prinzipiell die Behandlung aller lokalen intrakorporalen Defekte in Frage, für die die Einbrin gung eines erfindungsgemäßen Implantates vorteilhaft ist. So ist der Einsatz erfindungsgemäß beschichteter Implantate vorteilhaft bei der Behandlung von Defekten des Herz-Kreislauf-Systems wie beispielsweise Erkrankungen des Atherosklerotischen Systemkreises oder anderen Defekten der Gefäßwandung wie Aneurysmen. Weiterhin können erfindungsgemäß beschichtete Implantate zweckmäßigerweise auch bei der Behandlung von Defekten des Knochensy stems wie Luxationen oder Dysplasien von Gelenken oder Knochenfrakturen Einsatz finden.

Ein erfindungsgemäß beschichtetes Implantat kann dabei als Stent, vorzugs weise coronarer Stent aber auch als künstliches Gelenk oder künstlicher Kno chen, Katheder oder Embolisierungsspirale Verwendung finden. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform bei Herz-Kreislauferkrankungen ist erfindungsge mäß ein coronarer Stent mit einer Oberfläche aus elektropoliertem oder oxi diertem Metall und einer Auflage von 1 bis 3000 ng/cm² an fixiertem Bindungs partner aus der Gruppe von Glucocorticoidrezeptoren, Transferrin, Serum-Al bumin und/oder anti-Glucocorticoid-Antikörpern und nicht-fixierten Bindungs partnern aus der Gruppe der Glucocorticoide, vorzugsweise Cortisol.

Bei der Behandlung von Gelenk- oder Knochen-Defekten findet zweckmäßi gerweise ein Implantat Einsatz, welches vorzugsweise als künstliches Gelenk oder künstlicher Knochen ausgebildet ist und eine Oberfläche aus elektropo liertem oder oxidiertem Metall und eine Auflage von 1-3000, vorzugsweise 30 bis 300 ng/cm² an fixierten Bindungspartnern aus der Gruppe der Bone Morphogenic Proteins (BMPs) sowie nicht-fixierten Bindungspartnern aus der Gruppe der BMP-Rezeptoren oder anti-BMP-Antikörper aufweist. Bei den BMPs handelt es sich um osteoinduktive Proteine, die Knochenneubildung und Kno chenheilung stimulieren, indem sie die Proliferation und Differenzierung von Vor läuferzellen zur Osteoblasten bewirken. Weiterhin fördern sie die Produktion anderer Substanzen, die für den Aufbau und die Neubildung von Knochen es sentiell sind, wie beispielsweise Kollagen Typ I, Osteokalzin, Osteopontin und die Einlagerung von Mineralien. Sie können auch proliferationsinhibitorische Wirkung ausüben, wie beispielswiese BMP-2, welches sich hemmend auf die Proliferation glatter Gefäßmuskelzellen auswirkt. Zweckmäßigerweise kann BMP-2 folglich auch für die Beschichtung coronarer Stents eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Verwendung einzelner oder mehrerer Proteine der BMP- Gruppe als nicht-fixierte Bindungspartner bei der Behandlung von Knochen- oder Gelenkdefekten hat gegenüber der Verwendung gewöhnlicher Implantate den Vorteil, daß Prozesse, wie die Knochenheilung oder das Einwachsen des Implantates gezielt und langzeitig stimulierbar sind.

Es ist weiterhin möglich, eine erfindungsgemäße Implantatbeschichtung auch auf ein Transplantat oder Reimplantat, beispielsweise mit körpereigenem Knochengewebe aufzubringen. Auf diese Weise kann die Einheilung des transplantierten, bzw. reimplantierten Materials durch Verwendung einer erfindungsgemäßen Beschichtung gefördert und das Auftreten entzündlicher Prozesse verhindert werden.

Die Verwendung antimikrobieller oder antiviraler nicht-fixierter Bindungspartner hätte den Vorteil, daß der Anteil an Implantat-bedingten Infektionen gegenüber gewöhnlichen Implantationsverfahren drastisch gesenkt und der Einheilungsprozeß so gefördert werden könnte. Solche Substanzen fänden sinngemäßerweise nicht nur bei der Implantation künstlicher Gelenke oder Knochen sondern auch bei der Implantation coronarer Stents Anwendung und könnten zwecksmäßigerweise alleine oder in Kombination mit verschiedenen Bindungspaaren eingesetzt werden.

Auch bei der Behandlung von Erkrankungen, die einen schnellen Gewebever schluß erfordern, finden erfindungsgemäß beschichtete Implantate Anwendung. Bei der Behandlung von Aneurysmen kann zweckmäßigerweise ein erfin dungsgemäß beschichtetes Implantat eingesetzt werden, welches als Emboli sierungsspirale ausgebildet ist und eine Auflage aus einem oder mehreren coagulationsfördernden Bindungspaaren hat. So kann beispielsweise ein Thrombzysten - rekrutierender fixierter Bindungspartner eingesetzt werden, um durch eine schnelle Rekrutierung von Thrombozyten einen beschleunigten Ver schluß des Aneurysmas herbeizuführen.

Die Erfindung soll im Folgenden anhand von Beispielen erläutert werden.

Beispiel 1 Zur Rekrutierung von Cortisol als nicht-fixierten Bindungspartner geeignete Biomoleküle

Besonders geeignet zur Verwendung als erfindungsgemäße Bindungspaare sind Biomoleküle, deren Dissoziationskonstante zwischen 1 bis 250 nM liegt und die möglichst rekombinant herstellbar sind.

a) Glucocorticoid-Rezeptor

Molekulargewicht: 94.000 g/mol
cDNA kloniert
Dissoziationskonstante Cortisol-Glucocorticoidrezeptor: 11 bis 22 nM

b) Corticosteroid-bindendes Globulin (Transferrin)

Molekulargewicht: 45.000 g/mol
cDNA kloniert
Dissoziationskonstante Cortisol-Transferrin: 10 bis 25 nM

c) Anti-Cortisol-Antikörper

Molekulargewicht IgG: 150.000 g/mol
Zellklone/cDNAs/Seren: vorhanden und herstellbar
Dissoziationskonstante Cortisol-AK: Es können sowohl hoch- als auch niederaf fine Antikörper mono- oder polyklonal oder rekombinant hergestellt werden mit
KD-Werten: < 20 nM (niederaffin)
< 20 nM (hochaffin)
also ca. 1-200 nM.

d) Serum-Albumin

Molekulargewicht: 66.000 g/mol
cDNA kloniert
Dissoziationskonstante Cortisol-Serum-Albumin: 20-200 nM

Beispiel 2 Immobilisierung von I¹²⁵-Ubiquitin auf 316 L Stahl

I¹²⁵-Ubiquitin wurde auf Plättchen von elektropoliertem oder mit Chromschwe felsäure behandeltem oxidiertem Stahl immobilisiert.

a) die durchschnittliche kovalente Fixierung betrug:
elektropolierter Stahl: 30 µg/cm²
oxidierter Stahl: 300 µg/cm²
b) Berechnung der Beschichtung:

Zur Berechnung der Beschichtung der Stahlplättchen mit I¹²⁵-Ubtiquitin wird von einer Schichtdicke von 10^-4 cm ausgegangen. Dies entspricht der maxima len Ausdehnung der auf den Plättchen aufgebrachten Proteinschicht.

Bei einer Plättchenfläche von 1 cm² ergibt sich folgendes Volumen:

1 cm² × 10^-4 cm = 10^-4 ml = 0,1 µl

Die durchschnittliche Proteinbeschichtung beträgt folglich für I¹²⁵-Ubiquitin:

30 ng/0,1 µl = 0,3 µg/µl für elektropolierten Stahl

bzw.

300 ng/0,1 µl = 3 µg/µl für oxidierten Stahl.

Umfangreiche Versuche mit anderen Proteinen ergaben ähnliche Werte.

Beispiel 3 Die Konzentration von Glucocorticoidrezptor (GR) in Beschichtungen auf elek tropoliertem bzw. oxidiertem Stahl GR

Molekulargewicht: ca. 100.000 g/mol
d. h. 100.000 g/l = 1 M
d. h. 1 g/l = 10^-5

M
0,3-3 g/l, Protein können kovalent auf Stahlplättchen fixiert werden. Das ent spricht einer GR-Konzentration von:

0,3-3 × 10^-5 mol/l.

Die Dissoziationskonstante (KD) zwischen GR und Cortisol beträgt

11-22 nmol/l, d. h. 11-22 × 10^-9 mol/l, d. h. 1,1-2,2 × 10^-8 mol/l.

Die Konzentration von GR in der erfindungsgemäßen Beschichtung ist folglich 2 × 10²-2 × 10³ mal höher als die KD zwischen GR und Cortisol.

Beispiel 4 Die Konzentration von Transferrin in Beschichtungen auf elektropoliertem bzw. oxidiertem Stahl

Molekulargewicht: ca. 50.000 g/mol
d. h. 50.000 g/l = 1 M.
d. h. 0,5 g/l = 10^-5

M
0,3-3 g/l, Protein können durchschnittlich kovalent auf Stahlplättchen fixiert werden. Das entspricht einer Transferrin-Konzentration von:

0,6-6 × 10^-5 mol/l.

Die KD zwischen Transferrin und Cortisol beträgt

10-25 nmol/l, d. h. 1,0-2,5 × 10^-8 mol/l.

Die Konzentration von Transferrin in der erfindungsgemäßen Beschichtung ist folglich 2,4 × 10²-6 × 10³ mal höher als die KD zwischen Transferrin und Corti sol. Die mindestens notwendige angestrebte 10-fache Anreicherung von Cortisol wird folglich um das 24-600-fache überschritten.

Beispiel 5 Die Konzentration von IgG auf elektropoliertem bzw. oxidiertem Stahl

Molekulargewicht: 150.000 g/mol
d. h. 150.000 g/l = 1 M
d. h. 1,5 g/l = 10^-5

M.

Bei einer durchschnittlichen kovalenten Beschichtung von 0,3-3 g/l Protein auf Stahlplättchen entspricht das einer IgG-Konzentration von:

0,2-2 × 10^-5 mol/l.

Bei einer KD zwischen IgG und Cortisol von 20 nmol/l d. h. 2,0 × 10^-8 mol/l ist die Konzentration von IgG in der erfindungsgemäßen Beschichtung folglich 1 × 10^2- 1 × 10³ mal höher als die KD zwischen IgG und Cortisol.

Beispiel 6 Die Konzentration von Serum-Albumin auf elektropoliertem bzw. oxidiertem Stahl

Molekulargewicht: ca. 70.000 g/mol
d. h. 70.000 g/l = 1 M
d. h. 0,7 g/l 10^-5

M

Bei einer durchschnittlichen kovalenten Beschichtung von 0,3-3 g/l Protein auf Stahlplättchen entspricht das einer Serum-Albumin-Konzentration von:

0,4-4 × 10^-5 mol/l Serum Albumin.

Bei einer KD zwischen Serum-Albumin und Cortisol von 20-200 nM, das heißt 0,2-2 × 10^-7 mol/l ist die Konzentration von Serum-Albumin in der erfindungs gemäßen Beschichtung folglich 2 × 10² mal höher als die KD.

Claims

1. Beschichtetes Implantat, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung einen oder mehrere am Implantat fixierte Bindungspartner ei nes oder mehrerer Bindungspaare aufweist, mit einem oder mehreren nicht-fi xierten Bindungspartnern nicht-kovalent interagieren, so daß bei vollständiger Beladung die Konzentration des oder der nicht-fixierten Bindungspartner auf der Oberfläche des Implantats eine andauernde, kontinuierliche Abgabe des oder der nicht-fixierten Bindungspartner an die Umgebung des Implantats bis zur Er schöpfung ermöglicht.

2. Beschichtetes Implantat nach Anspruch 1 mit Bindungspartnern, die natürliche oder modifizierte Elemente, oder Fragmente dieser Elemente aus mindestens einer der nachfolgenden Gruppen enthalten oder aus diesen beste hen:

a) organische Verbindungen
b) pharmakologisch und/oder biologisch wirksame Substanzen
c) supramolekulare Komplexe und Gebilde

3. Beschichtetes Implantat nach Anspruch 1 oder 2 mit einer aufge brachten stationären Molekül-Imprinting Phase, deren Interaktionsoberflächen strukturen als fixierte Bindungspartner dienen.

4. Beschichtetes Implantat nach Anspruch 2 oder 3, mit einer oder mehrerem organischen Verbindungen der folgenden Gruppe: Aminosäuren, Peptide, Proteine, Fettsäuren, Nukleotide, Nukleinsäuren, Kohlenhydrate, vor zugsweise Rezeptormoleküle, Enzyme, Antikörper, Wachstumsfaktoren, Cyto kine, Zellzyklusinhibitoren, Hormone, biogene Amine, Gerinnungsfaktoren.

5. Beschichtetes Implantat nach Anspruch 2 oder 3, mit pharmakolo gisch und/oder biologisch wirksamen Substanzen mit einer oder mehrerer der folgenden Wirkungen: entzündungshemmend, proliferationshemmend oder proliferationsfördernd, koagulationshemmend oder koagulationsfördernd, anti mikrobiell, antiviral, immunosuppressiv oder immunogen, chemotaktisch, diffe renzungsfördernd oder differenzierungshemmend.

6. Beschichtetes Implantat nach Anspruch 2 oder 3, mit supramoleku laren Komplexen und/oder Gebilden vorzugsweise eukaryontische Zellen, vor zugsweisen Körperzellen besonders bevorzugt Entzündungs- und/oder Abwehr zellen, insbesondere Leukozyten (Thrombozyten).

7. Beschichtetes Implantat nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 6 mit einem oder mehreren Bindungspaaren, die folgende fixierte und nicht fixierte Bindungspartner in natürlicher oder veränderter Form oder Fragmente derselben enthalten:

a) Protein - Ligand oder
Ligand - Protein, vorzugsweise
Protein - Nucleinsäure oder
Nucleinsäure - Protein
Antigen/Hapten - Antikörper oder
Antikörper - Antigen/Hapten,
Rezeptor - Hormon oder
Hormon - Rezeptor
Enzym - Substrat oder
Substrat - Enzym
b) Nucleinsäure - komplementäre Nucleinsäure
c) organische Verbindung - Zielzelle oder
Zelle - organische Verbindung, vorzugsweise
Hormon - Zielzelle oder
Zielzelle - Hormon,
Wachstumsfaktor - Zielzelle oder
Zielzelle - Wachstumsfaktor
Cytokin - Zielzelle oder
Zielzelle - Cytokin,
Antigen/Hapten - Entzündungs- und/oder Abwehrzelle, vorzugsweise Leukozyt
Entzündungs- und/oder Abwehrzelle, vorzugs weise Leukozyt - Antigen/Hapten
d) stationäre Phase aus Molekül-Imprinting Poly meren - nicht-fixierte Bindungspartner nach mindestens einem der vor hergehenden Ansprüche

8. Beschichtetes Implantat nach einem oder mehreren der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dissozationskonstante der Bindungspartner zwischen 1 und 250 nmol/l liegt.

9. Beschichtetes Implantat nach mindestens einem der vorherge henden Ansprüche, das eines oder mehrere der folgenden Bindungspaare mit Bindungspartnern in natürlicher oder veränderter Form oder Fragmente dersel ben enthält:

a) Corticosteroide mit Corticosteroidrezeptor, vorzugsweise Glucocorticoide mit Glucocorticoidrezeptor und besonders bevorzugt Cortisol mit Cortisolrezeptor
b) Cortisol mit Cortisol-bindendem Globulin (Transferrin)
c) Cortisol mit Serum-Albumin
d) Cortisol mit anti-Cortisol Antikörper
e) BMP mit BMP-Rezeptor
f) BMP mit anti-BMP-Antikörper, vorzugsweise einem monoklonalem Antikörper
g) coagulationsfördernde Substanz mit erfindungsgemäßem Bindungspartner
h) stationäre Molekul-Imprinting-Oberflächenstruktur mit nicht-fixiertem Bin dungspartner.

10. Beschichtetes Implantat nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem oder mehreren der folgenden Materialien besteht:

a) Metall oder Metall-Legierungen, vorzugsweise 316 L medizinischen Stahls; Titanwerkstoff, vorzugsweise Reintitan oder Nickel-Titanlegierung
b) Keramikwerkstoffen
c) Kunststoff, vorzugsweise Polyurethan, Polyalkylenverbindungen, oder Poly tetrafluorethylenverbindungen.

11. Beschichtetes Implantat nach Anspruch 10 mit einem Kunststoff kern und Metallummantelung.

12. Beschichtetes Implantat nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es als einfache oder verzweigte Röhre, als Platte, Stift, Nagel, Kugel, Klammer oder Draht oder einer Kombina tion aus mehrerer dieser Formen ausgebildet ist.

13. Beschichtetes Implantat nach einem oder mehreren der Ansprüche 10-12 mit einer durchgängigen oder mit Lücken versehenden Struktur.

14. Beschichtetes Implantat nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche zur Verwendung als Stent, vorzugsweise coronarer Stent, künst liches Gelenk oder künstlicher Knochen, Katheter oder Embolisierungsspirale.

15. Beschichtetes Implantat nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche mit einer Oberfläche aus elektropoliertem und/oder oxidiertem Stahl.

16. Beschichtetes Implantat nach mindestens einem der vorherge henden Ansprüche mit einer Auflage an fixiertem Bindungspartner von minde stens 1-3000 ng/cm²-Oberfläche.

17. Beschichtetes Implantat nach Anspruch 16 mit einer Auflage an fi xierten Bindungspartnern von zwischen 1-300, vorzugsweise 5200, besonders bevorzugt 10-100 und insbesondere 20-50 ng/cm² auf einer Oberfläche von elektropoliertem Stahl beziehungsweise zwischen 1-3000, vorzugsweise 50- 2000, besonders bevorzugt 100-1500 und insbesondere 200-1000 ng/cm² auf einer Oberfläche von oxidiertem Stahl.

18. Beschichtetes Implantat nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche mit fixierten Bindungspartnern, die kovalent an Ankermoleküle gebunden sind, welche kovalent an der Oberfläche des Implantatmaterials fixiert sind.

19. Beschichtetes Implantat nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche mit einer Beschichtung, die in ein Hydrogel eingebettet ist.

20. Beschichtetes Implantat nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche mit einer aufgebrachten stationären Phase aus Molekül-Imprin ting Polymeren.

21. Beschichtetes Implantat nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche zur Verwendung in human- oder tiermedizinischen Verfahren.

22. Coronarer Stent mit einer Oberfläche aus elektropoliertem oder oxidiertem Metall und einer Auflage von zwischen 1-3000 ng/cm² an fixierten Bindungspartnern aus der Gruppe von Glucocorticoidrezeptoren, Transferrin, Serum Albumin und/oder anti-Glucocorticoid-Antikörpern und nicht-fixierten Bindungspartnern aus der Gruppe der Glucocorticoide, vorzugsweise Cortisol.

23. Implantat, vorzugsweise künstliches Gelenk oder künstlicher Kno chen mit einer Oberfläche aus elektropoliertem oder oxidiertem Metall und einer Auflage von zwischen 1-3000 ng/cm² an fixierten Bindungspartnern aus der Gruppe der BMPs sowie nicht-fixierten Bindungspartnern aus der Gruppe der BMP-Rezeptoren oder anti-BMP-Antikörper.

24. Embolisierungsspirale mit einem oder mehreren Bindungspaaren, die sich coagulationsfördernd auswirken.

25. Implantat, vorzugsweise coronarer Stent, künstliches Gelenk, künstlicher Knochen oder Embolisierungsspirale mit einer stationären Phase aus Molekül-Imprinting Polymaren und Molekül-Imprinting-Oberflächenstruktu ren als fixierten Bindungspartner sowie nicht-fixierten Bindungspartnern mit dazu komplementären Interaktionsoberflächen.