WO2020099673A1 - Riboflavin zur behandlung von kollagenreichen geweben bei erkrankungen von gelenken insbesondere der bandscheibe - Google Patents

Riboflavin zur behandlung von kollagenreichen geweben bei erkrankungen von gelenken insbesondere der bandscheibe Download PDF

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WO2020099673A1
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radiation
collagen
disease
tissue
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Ioannis Vasilikos
Ulrich Hubbe
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Albert-Ludwig-Universität Freiburg
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    • A61K31/519—Pyrimidines; Hydrogenated pyrimidines, e.g. trimethoprim ortho- or peri-condensed with heterocyclic rings
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    • A61N2005/0658—Radiation therapy using light characterised by the wavelength of light used
    • A61N2005/0661—Radiation therapy using light characterised by the wavelength of light used ultraviolet

Definitions

  • the invention relates to riboflavin for use as a medicament in the treatment of a patient with a disease of a real or fake joint, preferably one
  • Intervertebral disc disease the treatment being carried out in-situ in the patient and comprising a local administration of riboflavin into a collagen-rich tissue of the joint as well as a subsequent irradiation with electromagnetic radiation, preferably UV radiation or multiphoton radiation.
  • the invention further relates to a method and a kit for carrying out an in-situ crosslinking of a collagen-rich tissue in the event of a disease of a real or fake joint, preferably an intervertebral disc.
  • the intervertebral disc is a flexible, fibrous cartilaginous connection between the vertebrae of the
  • the intervertebral discs ensure that the vertebrae can bend, stretch and rotate relative to each other and ensure stable mobility of the
  • the elasticity and stability of the intervertebral disc is due to the functional interaction of the fiber ring (annulus fibrosus) and the water-rich gelatinous nucleus (nucleus pulposus).
  • axial compression leads to a compression of the hydrodynamic nucleus pulposus, which transfers the pressure to the annulus fibrosus surrounding it.
  • the concentric connective tissue fibers of the annulus fibrosus form a tensile shell that ensures effective cushioning.
  • intervertebral discs are exposed to high pressure loads and a physiological aging process, which can often lead to signs of wear or functional disorders.
  • vital for a functional and elastic intervertebral disc are vital chondrocytes, which form the gelatinous nucleus and ensure hydraulic permeability. Since the
  • Intervertebral discs are not supplied vascularly, the supply requires diffusion and
  • Capsular ligament injuries, vertebral body fractures or particularly heavy loads can also cause damage to the annulus fibrosus and lead to a displacement of the nucleus pulposus into the vertebral canal.
  • herniated disc or protrusion parts of the disc come into the spinal canal.
  • a herniated disc is characterized by a total or partial tear of the annulus fibrosus.
  • pressure can be exerted on the nerve strands located there. Symptoms of a herniated disc can therefore include severe pain, sensitivity disorders or even paralysis.
  • intervertebral disc diseases in particular a herniated disc.
  • the aim is to alleviate the symptoms by administering pain medication and physiotherapy, as well as retraining and, if necessary, to promote the regression of the herniated disc.
  • Newer therapeutic approaches also include regeneration of the gelatinous nucleus by injection of the body's own tissue, injection of an artificial gelatinous nucleus to stabilize the intervertebral disc or replacement of the diseased intervertebral disc with an implant.
  • WO 2004/073563 A2 describes a fusion implant for vertebrae for the treatment of
  • the fusion implant includes a balloon that is filled with curable material to absorb the load on the vertebrae.
  • the curable materials include Cement comprising calcium or crosslinkable polymers is disclosed.
  • No. 6,723,335 B1 discloses therapy methods for the regeneration of intervertebral discs by injection of a fluid matrix or a hydrogel.
  • the fluid matrix is crosslinked from decellularized nucleous pulposus tissue from an external donor or the same patient with the help of photooxidative catalysts. Crosslinking is carried out in vitro and then the cross-linked fluid matrix is injected into the intervertebral spaces.
  • crosslinkers include Genipin or proantrocyanidine injected into the body's collagen tissue to stabilize it. At physiological concentrations of the crosslinker, the
  • Crosslinking reaction can take several hours to a few days, making it too interim changes in shape or structure of the tissue to be stabilized can occur.
  • Riboflavin is a vitamin from the B complex, but can also be used for crosslinking
  • Collagen tissues can be used. Riboflavin-catalyzed photopolymerization involves the production of singlet oxygen, which can react with functional groups in the collagen tissue (Min et al. 2002, Huang et al. 2004, Choe et al. 2005). The reaction includes tyrosine residues, which form pi-pi complexes in the collagen and lead to dityrosine crosslinks (LaBella et al. 1968, Waykole et al. 2009).
  • Keratoconus is an eye disease that describes the progressive thinning and deformation of the cornea and is one of the most common reasons for a corneal transplant.
  • riboflavin In a standard application, a few drops of riboflavin are applied to the cornea so that they can penetrate the underlying tissue layers. The crosslinking reaction is then triggered by means of UV radiation. In most cases, this can strengthen the cornea so that the course of the disease is stopped (Mahgol Farjadnia et al. 2015, Wollensak et al. 2006, Hafezi et al. 2009).
  • the invention preferably relates to riboflavin for use as a medicament in the treatment of a disease of a real or fake joint, the treatment being in situ in the Patients and a local administration of riboflavin in a collagen-rich tissue of the joint and a subsequent radiation with electromagnetic radiation.
  • riboflavin is also suitable for in-situ cross-linking of collagen-rich
  • joints should be understood to mean any anatomical structure that allows a flexible connection of bony or cartilaginous skeletal elements.
  • the joints of the human body can be real (discontinuous) and spurious
  • Fake joints are continuous cartilaginous or connective tissue bone connections that have no interruption and therefore mostly have limited mobility.
  • the fake (continuous) joints which are also called sticking, include in particular cartilaginous bone connections.
  • These include synchronous roses, which ensure a connection via hyaline cartilage (e.g. costal cartilage) or
  • Symphyses which mean connection via fiber cartilage (e.g. intervertebral discs). But also connective tissue bone connections, e.g. Seams between the skull bones or syndemoses as a band-like connection between the ulna and the spoke are examples of fake joints.
  • joint gap between the bone ends, the joint surfaces being covered by articular cartilage.
  • joint capsule comprising an outer fibrosa membrane (tight connective tissue) and an inner synovial membrane (an epithelial-like connective tissue bandage).
  • Connective tissue rich in collagen serves to stabilize real or fake joints.
  • the collagen-rich connective tissue can become damaged due to wear or aging processes
  • the treatable diseases thus particularly affect disorders of the biomechanical function of collagen-rich tissue in the joints, for example an age-related or
  • the claimed riboflavin is preferably characterized in that it is administered in-situ in the patient locally in a collagen-rich tissue of the joint and then UV-irradiated.
  • Local administration can be done in various ways. For example, drops of a riboflavin solution can be applied in situ to the site in question, so that the riboflavin diffuses into the underlying tissue layers. In addition to such an instillation, it can it may also be preferred that the riboflavin is injected locally into the collagen-rich tissue of the diseased joint.
  • the riboflavin spreads in the collagen-rich tissue of the joint, so that it is largely homogeneous within a few minutes depending on the administration and concentration.
  • Electromagnetic radiation is preferably understood to mean light which can comprise both visible light and non-visible light, in particular ultraviolet (UV) light or also infrared (IR) light.
  • the electromagnetic radiation is in one
  • Wavelength range from 200 nm to 3000 nm, preferably 200 nm to 1500 nm. Any wavelength range can preferably be used which induces a riboflavin-mediated photopolymerization of the collagen fibers.
  • Any wavelength range can preferably be used which induces a riboflavin-mediated photopolymerization of the collagen fibers.
  • both UV radiation and therefore multiphoton radiation using non-linear optical effects are suitable.
  • the crosslinking reaction can advantageously take place in a spatially and temporally controlled manner by means of electromagnetic radiation, for example by means of UV light or multiphoton excitation.
  • electromagnetic radiation for example by means of UV light or multiphoton excitation.
  • the local administration of the riboflavin together with local radiation causes a double focus on a desired tissue area, so that undesired collagen crosslinking in adjacent tissue layers can be effectively avoided.
  • networking can take place within a short period of time. For example, adequate stabilization of the tissue can be achieved within a few minutes by means of UV radiation or multiphoton radiation.
  • the electromagnetic radiation is UV radiation.
  • UV radiation is preferably radiation in one
  • the UV radiation results in a demonstrable cross-linking of the collagen fibers in the tissue of an affected joint, in particular an intervertebral disc, on which there is a sufficient concentration of riboflavin.
  • Various molecular mechanisms are illustrated in FIG. 1, which play a role here.
  • the irradiation is carried out with a wavelength of more than 700 nm, a pulsed light source preferably being used, so that a crosslinking mediated by riboflavin is preferably brought about by non-linear optical effects.
  • non-linear optics or non-linear optical effects preferably denote the interaction of electromagnetic waves, in which the relationship between the electrical field and electrical polarization in a medium is not linear, but of a higher degree.
  • NLO non-linear optics
  • two or more photons can be simultaneously absorbed by a molecule or an atom, which thereby changes into an energetically excited state. The process is also called
  • a molecule such as riboflavin can be excited, for example in the field of linear optics (ie with simultaneous absorption of one photon per molecule) by means of UV light of a wavelength of 370 nm, two-photon absorption with light essentially twice the wavelength can be that is 740 nm.
  • Nonlinear optical effects only occur at very high intensities. For low intensities it is approximately the case that the polarization increases linearly with the electric field with the electric susceptibility as a proportionality factor. In other words, a one-photon absorption has a linear dependence on the intensity of the light.
  • pulsed radiation is preferably carried out, i.e. radiation, which is characterized by a sequence of light pulses.
  • Pulse lasers are particularly suitable for pulsed radiation for non-linear excitation.
  • pulse lasers In contrast to continuous wave lasers (CW lasers), pulse lasers do not emit light continuously, but rather in a pulsed manner. I.e. the light is emitted in a sequence of light pulses.
  • CW lasers continuous wave lasers
  • the light is emitted in a sequence of light pulses.
  • Nanoseconds, picoseconds and especially femtosecond lasers are important to the production of nanoseconds, picoseconds and especially femtosecond lasers.
  • Multiphoton radiation for photoactivation has a number of particular advantages over UV radiation.
  • multiphoton radiation can increase the risk of cell damage, for example DNA damage from UV radiation or the occurrence of oxygen-free
  • the multiphoton excitation enables very precise irradiation.
  • a two-photon excitation depends, for example, quadratically on the intensity, so that it is intrinsically ensured that the non-linear optical effects and therefore crosslinking take place in very small volumes.
  • low-energy, long-wave light for example a wavelength of 700 nm or more. While short-wave UV light is strongly scattered or absorbed by human tissue and can only reach small tissue depths, low-energy, long-wave light with wavelengths of 700 nm or more can penetrate the tissue structures by several millimeters.
  • the inventors have recognized that the aforementioned advantages are particularly transferred to improving the treatment options for diseases of real or fake joints. Not only can photopolymerization be focused in-situ in deep tissue layers. In addition, undesired cell damage in these particularly sensitive tissue structures can also be avoided. Riboflavin can be particularly preferred
  • the invention therefore relates to riboflavin for use as a medicament in the treatment of a patient with an intervertebral disc disease, the treatment comprising local administration of riboflavin at the site of the disease of the intervertebral disk and subsequent radiation of the site of the disease.
  • the location of the disease of the intervertebral disc preferably means a location of the intervertebral disc that has undergone at least partial degeneration.
  • the intervertebral disc disease to be treated can be a herniated disc, with parts of the nucleus pulposus escaping into the spinal canal being surgically removed at the site of the disease.
  • the remaining tissue of the intervertebral disc is strengthened at the affected point, so that a new herniated disc is effectively prevented.
  • the nucleus pulposus leans forward into the vertebral canal, but does not yet exit it.
  • the ul ul fibrosus is largely intact and counteracts an exit.
  • local administration of riboflavin can strengthen the degenerated intervertebral disc tissue in such a way that the bulging disappears or at least does not continue
  • the riboflavin that can be administered according to the invention can, however, also be used to strengthen degenerated intervertebral disc tissue before an emergence or bulging of the nucleus pulposus into the vertebral canal is visible.
  • an intervertebral disc may lose elasticity due to an undersupply of the chondrocytes of the nucleus pulposus or weakening of the concentric tissue layers of the annulus fibrosus.
  • the diseased area of the intervertebral disc does not yet exit the spinal canal, but due to the reduced biomechanical stability it can already lead to back problems or pose an increased risk.
  • the claimed local administration of riboflavin can stabilize the tissue again.
  • Local administration can be done in various ways. For example, drops of a riboflavin solution can be applied to the area in question, so that the riboflavin diffuses into the underlying tissue layers. In addition to such an instillation, it may also be preferred to inject riboflavins locally into the tissue layers of the intervertebral disc.
  • the riboflavin shows a diffusion behavior, which allows an optimal cross-linking of the intervertebral disc tissue. This could not be expected from previous applications in the treatment of keratoconus.
  • the riboflavin spreads homogeneously in the tissue of the nucleus pulposus and the annulus fibrosus within seconds to a few minutes. This advantageously takes place without excessive thinning by diffusion into adjacent tissue layers. Instead, the riboflavin can be introduced into the diseased area of the intervertebral disc tissue in a controlled manner by local administration in order to pass through it in situ
  • riboflavin is followed by local irradiation of the site in question with electromagnetic radiation, for example UV light or a pulse laser with a wavelength of 700 nm or more.
  • electromagnetic radiation for example UV light or a pulse laser with a wavelength of 700 nm or more.
  • the radiation not only strengthens the individual intervertebral disc components, but also particularly stabilizes the connection between the nucleus pulposus and the surrounding annulus fibrosus.
  • cross-linking by riboflavin increases the fatigue resistance of the treated tissue, reduces degeneration resulting from repeated physiological stress increases resistance to potential tearing of the annulus fibrosus and the hydraulic permeability of the nucleus pulposus.
  • the invention relates to a riboflavin for use as a medicament in the treatment of a patient with a deformation of the spine, in particular a spondylolisthesis or scoliosis.
  • Spondylolisthesis refers to instability of the spine, in which the upper section of the spine with the sliding vertebra slides over the vertebral body below.
  • riboflavin By administering riboflavin locally and then crosslinking it with radiation, the vertebral joints can be stabilized so that gliding is prevented. It can also be used prophylactically in order to prevent such diseases by steady stabilization of the spine.
  • Scoliosis is a lateral deviation of the spine from the longitudinal axis with possibly rotation of the vertebrae and torsion of the vertebral bodies, which can also be accompanied by structural deformations of the vertebral bodies.
  • the invention relates to a riboflavin for use as a medicament in the treatment of a disease of a real joint.
  • a riboflavin for use as a medicament in the treatment of a disease of a real joint.
  • real joints such as knees, elbows, shoulders, etc. are high pressure and physiological
  • Riboflavin can be used to strengthen a connective tissue rich in collagen, for example in a joint capsule.
  • the invention relates to a riboflavin for use as a medicament in the treatment of a patient with an intervertebral disc disease, the local administration comprising an injection of the riboflavin, preferably into the annulus fibrosus and / or the nucleus pulposus.
  • the injection is characterized by a particularly controllable diffusion behavior of the riboflavin in the affected tissue.
  • the injection already breaks through a physical barrier, preferably at least the outer layer of the annulus fibrosus, so that the diffusion inside the intervertebral disc is faster and more homogeneous.
  • the injection can take place, for example, by means of a syringe with a cannula attached.
  • other medical can also be used for this purpose
  • Injection agents are used.
  • the invention relates to riboflavin for use as a medicament in the treatment of a patient with an intervertebral disc disease, the local administration in each case comprising an injection of the riboflavin into the annulus fibrosus and the nucleus pulposus.
  • This form of administration is therefore preferably a double injection both into the annulus fibrosus and into the nucleus pulposus.
  • the invention relates to a riboflavin
  • a medicament in the treatment of a disease of a real or fake joint preferably an intervertebral disc disease
  • the radiation being UV radiation and having a wavelength between 200 and 400 nm, preferably between 320 and 380 nm and / or a radiation intensity of 0, 1 mW to 500 mW, preferably 0.2 to 50 mW, takes place.
  • the invention relates to a riboflavin
  • a medicament in the treatment of a disease of a real or spurious joint, preferably an intervertebral disc disease, the radiation being carried out with pulses of a wavelength of more than 700 nm with a pulse duration in the range of nanoseconds or femtoseconds.
  • Nanosecond range preferably means a range from 1 ns (nanosecond) to 1000 ns.
  • Femtosecond range preferably means a range from 1 fs (femtosecond) to 1000 fs.
  • the pulse duration is in the range from 10 fs to 500 fs, particularly preferably 50 fs to 250 fs. Intermediate ranges from the aforementioned ranges can also be preferred, such as 10 fs to 50 fs, 50 fs to 100 fs, 100 fs to 150 fs,
  • Range boundaries can also be combined to obtain further preferred ranges, such as 10 fs to 150 fs or 200 fs to 250 fs.
  • the wavelength of the pulses is in the range from 700 nm to 820 nm, particularly preferably 720 nm to 800 nm, most preferably 740 nm to 780 nm.
  • Intermediate ranges from the aforementioned ranges can also be preferred, for example 700 nm to 720 nm, 720 nm to 740 nm, 740 nm to 760 nm, 760 nm to 780 nm, 780 nm to 800 nm or even 800 nm to 820 nm.
  • the repetition rate of the pulses is in a range from 10 MHz to 100 MHz and / or the energy per pulse is 1 nJ to 1 m ⁇ (joules), preferably 1 nJ to 100 nJ.
  • Typical commercially available titanium-sapphire lasers (see e.g. the Chameleon product range (e.g. Chameleon Ultra) from Coherent Inc., Santa Clara) have a repetition rate of 70 to 90 MHz in modelock mode with pulse energies in the range of a few nanojoules.
  • a disadvantage of the high repetition rates is their high average radiation intensity.
  • the repetition rate of the light pulses is in a range from 1 kHz to 1000 kHz, preferably 1 kHz to 100 kHz, particularly preferably 1 kHz to 50 kHz and / or the energy per pulse is 100 nJ to 50 pJ (joules), preferably 0.5 pJ to 5 pJ.
  • intermediate ranges from the aforementioned ranges can also be preferred, such as 1 kHz to 5 kHz, 5 kHz to 10 kHz, 10 kHz to 20 kHz, 20 kHz to 50 kHz, 50 kHz to 100 kHz, 100 kHz to 200 kHz, 200 kHz to 500 kHz or also 500 kHz to 1000 kHz.
  • range limits can also be combined in order to obtain further preferred ranges, such as 5 kHz to 20 kHz or 10 kHz to 50 kHz.
  • intermediate ranges can be preferred with regard to the energy per pulse, such as 100 nJ to 200 nJ, 200 nJ to 500 nJ, 500 nJ to 1 pJ, 1 pJ to 2 pJ, 2 pJ to 5 pJ, 5 pJ to 10 pJ, 10 pJ to 20 pJ or also 20 pJ to 50 pJ.
  • the aforementioned range limits can also be combined to form further preferred ones
  • Get ranges such as 200 nJ to 2 pJ or 1 pJ to 20 pJ.
  • riboflavin-mediated cross-linking of the collagen fibers can be carried out at a repetition rate of 76 MHz and a pulse energy of 11 nJ / pulse, the average radiation intensity being 900 mW.
  • a riboflavin-mediated crosslinking of the collagen fibers can likewise take place at a repetition rate of 5 kHz with a pulse energy of 2.4 pJ / pulse, the
  • the average radiation intensity for the irradiation with light pulses is in the range from 0.1 mW to 1000 mW, preferably 0.2 to 100 mW, particularly preferably 1 mW to 50 mW.
  • the preferred parameters mentioned above are particularly advantageous in order to ensure a high degree of crosslinking with precise control even in deeper tissue layers.
  • the invention relates to riboflavin for use as a medicament in the treatment of a disease of a real or spurious joint, preferably an intervertebral disc disease, the UV radiation after a period of 10 seconds (seconds) to 30 minutes, preferably 30 seconds to 20 min, following the local one
  • Administration of the riboflavin is started and is carried out for a period of 10 sec to 30 min, preferably 30 sec to 10 min.
  • the time periods are sufficient to ensure a sufficiently homogeneous distribution of the riboflavin over the desired range.
  • the upper limits can prevent the riboflavin from diffusing significantly into adjacent tissue layers. At low doses of riboflavin, this ensures excellent crosslinking of the collagen tissue without crosslinking reactions occurring in any undesired areas.
  • the invention relates to a pharmaceutical composition for use as a medicament in the treatment of a patient with a disease of a spurious or real joint, preferably an intervertebral disc disease, as described herein, comprising
  • the pharmaceutical carrier preferably relates to a material, particularly preferably in liquid form as a solution, which does not interfere with the action of the riboflavin. Instead, the pharmaceutical carrier preferably serves both to stabilize the riboflavin for storage and to effectively administer it to the tissue in question.
  • pharmaceutical carriers can preferably be used for this purpose and
  • the pharmaceutical carrier is a hypoosmolar solution.
  • hypoosmolar preferably means that the solution has a lower osmolarity than the liquid in the collagen-rich connective tissue in which the riboflavin is administered locally. Osmolarities of 1 mOSm / l to 2000 mOsm / l are particularly preferred, the osmolarity or the osmotic concentration being the
  • the hypoosmolar solution means that the active ingredient riboflavin reliably penetrates the connective tissue containing collagen, such as the nucleus pulpusus or the annulus fibrosus, and reinforces the collagen fibers after UV radiation.
  • the invention relates to a pharmaceutical composition for use as a medicament in the treatment of a patient with a disease of a real or spurious joint, preferably an intervertebral disc disease, the riboflavin in the pharmaceutical composition in a concentration of 0.01% by weight. % to 5 wt .-% is present.
  • Intermediate ranges can also be preferred from the aforementioned ranges, such as, for example, 0.01% by weight to 0.05% by weight, 0.05% by weight to 0.1% by weight, 0.1% by weight. % to 0.2% by weight, 0.2% by weight to 0.5% by weight, 0.5% by weight to 1% by weight, 1% by weight to 2% by weight %, 2% by weight to 5% by weight, 0.01% by weight to 5% by weight, 0.01% by weight to 5% by weight, 0.01% by weight to 5% by weight.
  • a person skilled in the art recognizes that the aforementioned range limits can also be combined in order to obtain further preferred ranges, for example 0.5% by weight to 2% by weight or 0.2% by weight to 2% by weight. .
  • aqueous solution preferably a hypoosmolar solution
  • optimal results with regard to a homogeneous distribution of the active substance in the desired tissue area can be achieved with the aforementioned concentrations.
  • concentration is low enough to avoid unwanted side effects or clumping in the tissue, but high enough to achieve an effective therapeutic effect.
  • the amount of the pharmaceutical composition administered can be individually adapted to factors such as the degree of the disease or the size of the collagen-rich tissue.
  • the remaining cavity can be completely filled with the pharmaceutical composition.
  • volumes of 0.01 ml to 10 ml have proven to be particularly suitable.
  • the invention relates to a method for treating a patient with an intervertebral disc disease, comprising the steps
  • riboflavin for use as a medicament are equally applicable to that Transfer procedure.
  • local injection into the nucleus pulposus and / or the annulus fibrosus has been disclosed as the preferred administration for the riboflavin. Such an injection is therefore equally preferred for the method.
  • the invention relates to a kit for treating a patient with an intervertebral disc disease
  • - Riboflavin or a pharmaceutical composition for the use described as a medicament in the treatment of a patient with a disease of a real or fake joint, preferably an intervertebral disc
  • riboflavin in a collagen-rich tissue of the joint and a subsequent irradiation with electromagnetic radiation, preferably UV radiation or multiphoton radiation with a wavelength of 700 nm or more.
  • riboflavin or pharmaceutical composition for use as a medicament are equally applicable to the kit.
  • a hypoosmolar solution has been disclosed as the preferred pharmaceutical carrier for the pharmaceutical composition.
  • the instructions optionally included in the kit also include preferred embodiments of the described method for treating the disease of the joints, preferably the intervertebral disc.
  • Suitable as an injection device for the kit is any device which is dimensioned and designed to inject a pharmaceutical composition into a collagen-rich tissue of a joint, preferably an intervertebral disc.
  • the injection device will therefore preferably comprise a reservoir for a pharmaceutical composition and an injection tip which is suitable for penetrating a collagen-rich tissue.
  • a syringe with a cannula can preferably be used as an attachment.
  • the radiation device is preferably understood to be a device which is capable of emitting electromagnetic radiation with the preferred parameters described.
  • the radiation device is a UV radiation device.
  • the UV radiation device is preferably understood to mean a device which is capable of emitting UV radiation, preferably in the range from 200 to 400 nm.
  • Various devices are known in the prior art for this purpose.
  • LEDs can be used with radiation in the UV range
  • the irradiation device is a pulse laser for generating light pulses with a wavelength of 700 nm or more.
  • Various devices are known in the prior art for this purpose. For example, Ti: Sa
  • Femtosecond lasers may be used with additional amplification to set the repetition rate and / or pulse energies (see above).
  • a combination of an irradiation device, an injection device for a collagen-rich tissue of a joint and riboflavin provided according to the kit is not known in the prior art, in particular not in connection with instructions for carrying out an in-situ crosslinking.
  • the invention relates to riboflavin or a pharmaceutical composition for use as a medicament in the treatment of diseases of spurious or real joints, preferably for the treatment of intervertebral disc diseases.
  • the "use of a medicament to treat" a subject or patient suffering from a disease preferably means slowing, stopping or reversing the progression of the disease.
  • Treatment may alternatively relate to prophylactic administration of the active ingredients described herein.
  • prophylactic administration can refer to the prevention or prevention of the development of such a disease, although the terms prevention, prevention and prophylaxis are not to be interpreted narrowly.
  • Prevention, prevention, or prophylaxis can also refer to reducing the risk of a subject or patient developing a disease, preferably in a subject or patient at risk for the condition.
  • Raboflavin is also known as lactoflavin or vitamin B2 in the prior art and, according to IUPAC, is called 7,8-dimethyl-10- (D-ribo-2,3,4,5-tetrahydroxypentyl) -3 / - /, 10 / - / - benzo [g] pteridine-2,4-or. Chemically referred to by WHO as 7,8-dimethyl-10- (D-ribit-1-yl) isoalloxazine. Other chemical terms herein are used in accordance with conventional use in the art, as explained by The Mc-Graw-Hill Dictionary of Chemical Terms (Parker, S., ed., McGraw-Rill, San Francisco (1985)). which is incorporated herein by reference.
  • riboflavin is also intended to cover functional equivalents or analogs which continue to have the desired biological activity, i.e. the catalysis for
  • Crosslinking of collagen tissues with UV radiation Functional equivalence exists in particular if, under otherwise comparable conditions, in comparison to the quantitative tests described in the examples, a degree of cross-linking of collagen tissues of approx. 10%, 20%, 30%, 40% or 50%, preferably 60%, 70%, 80% or 90%, particularly preferably 100%, 125%, 150%, very particularly preferably 200%, 300% or 400%, most preferably 500%, 600%, 700% or 1000%.
  • riboflavin is also intended to include isomers or derivatives of the abovementioned.
  • Composition comprising the riboflavin is determined by the condition to be treated, the severity of the disease, the individual parameters of the patient, including age, physiological condition, height and weight, the duration of treatment, the type of accompanying therapy (if any), the specific route of administration and related factors.
  • compositions comprising riboflavin are preferably sterile and contain an effective amount of the therapeutically active substance for producing the desired reaction or the desired effect.
  • the doses of the compositions of the invention to be administered may depend on various parameters such as the mode of administration, the condition of the patient, the desired period of administration, etc. In the event that a patient's response to an initial dose is inadequate, higher doses (or effectively higher doses obtained by another, more localized route of administration) can be used.
  • diseases of real or spurious joints are treated with amounts of riboflavin between 0.1 ng to 1000 mg, preferably 0.1 to 100 ng, 0.1 ng to 10 ng, 0.1 ng to 1 ng , 1 ng to 1 mg, 1 ng to 100 ng or 1 ng to 10 ng.
  • compositions are generally administered in pharmaceutically acceptable amounts and in pharmaceutically acceptable compositions.
  • pharmaceutically acceptable preferably relates to a non-toxic material that does not interact with the action of the active component of the pharmaceutical composition, preferably the riboflavin.
  • Such preparations can usually contain salts, buffering agents, preservatives, carriers and optionally other therapeutic agents.
  • the salts should be pharmaceutically acceptable.
  • non-pharmaceutically acceptable salts can be used for the preparation of pharmaceutically acceptable salts thereof and are included.
  • Such pharmacologically and pharmaceutically acceptable salts do not include in
  • Hydrogen chloride hydrogen bromide, sulfur, saltpetre, phosphorus, maleic, vinegar, salicyl, Citric, formic, malonic, succinic acid and the like.
  • Pharmaceutically acceptable salts can also be prepared as alkali metal or alkaline earth metal salts such as sodium, potassium or calcium salts.
  • a pharmaceutical composition according to the invention can comprise a pharmaceutically acceptable carrier.
  • pharmaceutically acceptable carrier preferably relates to one or more compatible solid or liquid fillers, diluents or other substances which are suitable for administration to a human.
  • carrier preferably relates to an organic or inorganic component, natural or synthetic in nature, in which the active component, preferably the riboflavin, is combined in order to facilitate application.
  • active component preferably the riboflavin
  • the components of the pharmaceutical compositions are usually such that there is no interaction that significantly affects the desired pharmaceutical effectiveness.
  • the pharmaceutical compositions may contain suitable buffering agents such as acetic acid in a salt, citric acid in a salt, boric acid in a salt and phosphoric acid in a salt.
  • suitable buffering agents such as acetic acid in a salt, citric acid in a salt, boric acid in a salt and phosphoric acid in a salt.
  • compositions may also be suitable as appropriate
  • Preservatives such as benzalkonium chloride, chlorobutanol, parabens and thimerosal contain.
  • compositions are usually presented in a unitary dosage form and can be prepared in a manner known per se.
  • Preferred pharmaceutically acceptable carriers include aqueous or non-aqueous solutions, suspensions and emulsions, most preferably aqueous solutions.
  • Aqueous vehicles include water, alcoholic or aqueous solutions, emulsions and
  • Suspensions including saline and buffered media.
  • Aqueous solutions include, in particular, sodium chloride solutions, Ringer's dextrose, dextrose and sodium chloride, Ringer's lactate and solid oils.
  • Preservatives and other additives may also be present, such as antimicrobial agents, antioxidants, chelating agents, inert gases and the like.
  • Local administration means that preferably the riboflavin or the pharmaceutical administration into the collagen-rich tissue takes place in a spatially limited volume.
  • Preferred local administrations include an injection or instillation in or on the tissue in question.
  • local administration can also be administered in the vicinity of the tissue in question.
  • Local administration near the tissue in question includes, for example, local administration within 50 mm, 20 mm, 10 mm, 5 mm, within 1 mm of the tissue, within 0.5 mm of the tissue and within 0.25 mm of the fabric.
  • riboflavin or the pharmaceutical composition allows the therapeutic index to be improved, with a possible overall toxicity and the risks of systemic effects being reduced overall.
  • disease of real or spurious joints means any disruption to the physiological function of the anatomical structures in question.
  • a disease is preferably understood which is based on a disturbance in the biomechanical stability of a collagen-rich tissue in the joint. When healthy, collagen-rich tissues stabilize various real or fake joints and thus support the connected ones
  • the collagen-rich connective tissue can lose its biomechanical properties due to wear or aging processes. This causes diseases which can be treated by the administration of riboflavin according to the invention.
  • Such diseases include, in particular, diseases of real joints, in particular joint capsules, for example of the knees, elbows or shoulder joints, deformations of the spine, such as spondylolisthesis or scoliosis, or intervertebral disc diseases.
  • Connective tissue is particularly preferred.
  • Collagen is only found in multicellular animals (including humans)
  • Structural protein that mainly occurs in connective tissues, especially in the extracellular matrix between the cells.
  • Collagen is found, among other things, in the white, inelastic fibers of tendons, ligaments, bones and cartilages and stabilizes real and fake joints.
  • the tensile but hardly stretchable collagen fibers are 1 to 10 micrometers thick.
  • collagen fibers can be recognized by a transverse streak, which is caused by the overlapping arrangement of the collagen molecules in the synthesis of collagen fibrils.
  • collagen-rich tissues can occur. However, it is preferably the
  • a collagen-rich tissue that can be treated particularly preferably is the intervertebral disc, which in particular comprises the nucleus pulposus and annulus fibrosis.
  • Intervertebral disc diseases should include any medical condition that affects a disruption of the physiological function of the intervertebral disc. These include, in a non-conclusive manner, an intervertebral disc prolapse, an intervertebral disc protrusion or a
  • Fig. 2 administration of riboflavin to the human cornea for
  • Fig. 3 collagen fibers before (left) and after (right) crosslinking using riboflavin
  • FIG. 4 Schematic representation of the anatomical structure of an intervertebral disc
  • Fig. 5 Preferred administration of riboflavin for the treatment of a
  • Fig. 6 intervertebral disc of a cattle, the annulus fibrosus (AF), the nucleus pulposus
  • Fig. 7 samples of the transition zone between AF and NP of an intervertebral disc, as shown in Fig. 6, which were cut by means of a cryomicrotome on 0.6 mm thin layers.
  • Fig. 9 Recording the autofluorescence of a transition zone between AF and NP in a human intervertebral disc before a) and after b) treatment with riboflavin and UV light
  • Fig. 10 Photo of the autofluorescence of the transition zone between AF and NP in a human intervertebral disc before a) and after b) treatment with riboflavin and UV light
  • Fig. 1 removal of paravertebral structures from bovine tails two hours after their slaughter
  • Fig. 12 Isolation of cattle spinal discs attached to the vertebral body
  • the reaction path (a) is oxygen-dependent, whereby imidazolone (compound 1) is generated. This short-lived intermediate can react with an uncapped nucleophile (Nu).
  • the reaction path (b) concerns endogenous carbonyl groups (allysines) as nucleophiles in an oxygen singlet-dependent side path.
  • the reaction path (c) indicates that when the Riboflavin, a self-activation product of 2,3-butanedione riboflavin (Compound 2) could be formed, which provides an additional oxygen singlet-dependent signaling pathway that reacts strongly with endogenous carbonyl groups (see McCall et al. 2010).
  • Figure 2 shows a standard protocol for the administration of riboflavin to human
  • Riboflavin can penetrate into the underlying tissue layers.
  • the cornea is then irradiated with UV light of the wavelength 360-370 nm at an intensity of 9 mW / cm 2 for 10 minutes.
  • Fig. 3 schematically illustrates the collagen fibers before crosslinking (left) and after
  • intervertebral disc is located between the vertebral bodies in the spine and serves to
  • the intervertebral disc consists of different anatomical zones: the annulus fibrosus (AF), the nucleus pulposus (NP) and the cartilage end plates.
  • the annulus fibrosus (AF) consists of concentric lamellae with strongly aligned collagen fibers, with the cells typically being aligned along the fiber direction.
  • the pulposus nucleus is a gelatinous, highly hydrated tissue, with cells typically having rounded, non-aligned morphologies. Images of the specific cell morphology in each region can be obtained by light microscopy.
  • FIG. 5 illustrates a preferred administration of riboflavin for the treatment of a
  • Intervertebral disc disease The riboflavin is injected in situ into the annulus fibrosus and / or the nucleus pulposus, particularly preferably successively into both tissues.
  • the dose of the injection is adjusted in such a way that a maximum effect (crosslinking) is achieved with minimal toxicity.
  • There is a pause after the injection so that the riboflavin can be distributed in the collagen-rich tissues based on osmotic diffusion. This is followed by UV radiation in order to catalyze the crosslinking reaction between the collagen fibers.
  • riboflavin can be used to cross-link collagen-rich tissues in real or fake joints, especially in intervertebral discs, to increase their biomechanical stability.
  • the intervertebral discs were thinly cut into 0.6 mm thick discs using a cryomicrotome and placed on glass plates (cf. FIG. 7).
  • the thin disks originate from the transition zone between the annulus fibrosus and the nucleus pulposus, which is indicated in FIG. 6 by a rectangle.
  • a total of 10 cattle and 10 human samples were prepared and examined for the experiments.
  • FIGS. 9 a) and 10 a Crosslinking density of the collagen fibers in the samples before treatment are shown in FIGS. 9 a) and 10 a).
  • a UV radiation source with an average wavelength of 370 nm (365-375 nm) was used to irradiate the samples.
  • the effective areal density of the intensity on the sample surface was calibrated at 9 mW / cm 2 and the irradiation lasts two minutes (cf. FIG. 8).
  • bovine intervertebral diks bovine intervertebral diks
  • the Young's modulus or elastic modulus was determined locally on an established device (Biomomentum Mach-1 Biomomentum Inc .; Sim et al. 2014).
  • Fresh beef tails were provided from the local meat processor within 2 hours after slaughter.
  • the paravertebral structure was removed (Fig. 1 1).
  • IVDs Bovine intervertebral discs attached to the vertebral body were isolated (Fig. 12).
  • the bovine vertebral bodies with an attached intervertebral disc were fixed in PMMA bone cement (FIG. 13).
  • the surface of the cattle spinal discs was measured with regard to their biomechanical properties (Young's module) (Fig. 14).
  • the percentage stiffening corresponds to the percentage increase in the Young's modulus after UV irradiation in comparison to the measured value before UV irradiation.
  • the minimum stiffening or reinforcement is 52%, while the maximum stiffening is 348%.
  • the variability can be partly attributed to an inhomogeneous absorption of riboflavin in the tissue due to the anisotropic distribution of proteoglycan in the cattle intervertebral discs.
  • Embodiments of the invention can be used to carry out the invention and to achieve the solution according to the invention.
  • the riboflavin according to the invention or the pharmaceutical composition according to the invention for the treatment of a disease of spurious or real joints, preferably an intervertebral disc disease, and that
  • Hafezi F Mrochen M
  • Iseli HP Seiler T. Collagen crosslinking with ultraviolet-A and hypoosmolar riboflavin solution in thin corneas. Journal of Cataract & Refractive Surgery.
  • UVA Ultraviolet Radiation

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Abstract

Die Erfindung betrifft bevorzugt Riboflavin zur Verwendung als Medikament in der Behandlung eines Patienten mit einer Erkrankung eines echten oder unechten Gelenkes, bevorzugt einer Bandscheibenerkrankung, wobei die Behandlung in-situ im Patienten erfolgt und eine lokale Verabreichung von Riboflavin in ein kollagenreiches Gewebe des Gelenkes sowie eine anschließende Bestrahlung umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren sowie einen Kit zur Durchführung einer in-situ Vernetzung eines kollagenreichen Gewebes bei einer Erkrankung eines echten oder unechten Gelenkes, bevorzugt einer Bandscheibe.

Description

RIBOFLAVIN ZUR BEHANDLUNG VON KOLLAGENREICHEN GEWEBEN BEI ERKRANKUNGEN VON GELENKEN INSBESONDERE DER BANDSCHEIBE
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft Riboflavin zur Verwendung als Medikament in der Behandlung eines Patienten mit einer Erkrankung eines echten oder unechten Gelenkes, bevorzugt einer
Bandscheibenerkrankung, wobei die Behandlung in-situ im Patienten erfolgt und eine lokale Verabreichung von Riboflavin in ein kollagenreiches Gewebe des Gelenkes sowie eine anschließende Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung, bevorzugt einer UV-Bestrahlung oder einer Multiphoton-Bestrahlung, umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren sowie einen Kit zur Durchführung einer in-situ Vernetzung eines kollagenreichen Gewebes bei einer Erkrankung eines echten oder unechten Gelenkes, bevorzugt einer Bandscheibe.
Hintergrund und Stand der Technik
Die Bandscheibe ist eine flexible, faserknorplige Verbindung zwischen den Wirbeln der
Wirbelsäule. Als elastisches Gelenk sorgen die Bandscheiben dafür, dass die Wirbel sich relativ zu einander beugen, strecken und drehen könnten und eine stabile Beweglichkeit der
Wirbelsäule gegeben ist.
Die Elastizität und Stabilität der Bandscheibe geht auf ein funktionelles Zusammenwirken des Faserrings ( Anulus fibrosus) und des wasserreichen Gallertkerns (Nucleus pulposus) zurück. Bei einer gesunden Bandscheibe führt eine axiale Stauchung zu einem Zusammenpressen des hydrodynamischen Nucleus pulposus, welcher den Druck auf den ihn umschließenden Anulus fibrosus überträgt. Die konzentrischen Bindegewebsfasern des Anulus fibrosus bilden hierbei eine zugfeste Hülle, welche eine effektive Dämpfung gewährleistet.
Im Laufe des Lebens eines Menschen sind Bandscheiben einer hohen Druckbelastung und einem physiologischen Alterungsprozess ausgesetzt, sodass es häufig zu Verschleißerscheinung oder funktionellen Störungen kommen kann.
Entscheidend für eine funktionsfähige und elastische Bandscheibe sind vitale Chondrozyten, welche den Gallertkern bilden und eine hydraulische Permeabilität gewährleisten. Da die
Bandscheiben nicht vaskulär versorgt werden, bedarf die Versorgung einer Diffusion und
Konvektion der Nährstoffe, welche altersbedingt abnimmt. Hierdurch wird die Reparaturfähigkeit und Teilungsfähigkeit der Zellen stark eingeschränkt. Insbesondere die hydrodynamische Funktion des Nucleus pulposus nimmt mit zunehmenden Alter ab, wodurch sich die Elastizität der Bandscheibe vermindert.
Kapsuloligamentäre Verletzungen, Wirbelkörperfrakturen oder besonders starke Belastung können zusätzlich Schädigungen des Anulus fibrosus bewirken und zu einer Verlagerung des Nucleus pulposus in den Wirbelkanal führen.
Bei einem Bandscheibenvorfall oder einer Bandscheibenprotrusion treten Teile der Bandscheibe in den Wirbelkanal vor. Während es bei einer Bandscheibenprotrusion zu einer Vorwölbung kommt, ist ein Bandscheibenvorfall durch einen ganz oder teilweisen Riss des Anulus fibrosus gekennzeichnet. Durch Austritt der Bandscheibe in den Wirbelkanal kann es zu einem Druck auf die sich dort befindenen Nervenstränge kommen. Zu Symptomen eines Bandscheibenvorfalls können daher starke Schmerzen, Sensibilitätsstörungen oder auch Lähmungserscheinungen zählen.
Schätzungen zu Folge haben 80% der Bevölkerung Rückenprobleme und 5 -10% entwickeln chronische Symptome (Finch et al. 2006). Ein wesentlicher Faktor für chronische
Rückenschmerzen ist eine Degeneration der Bandscheibe. Allein in Deutschland erleiden jährlich ca. 180 000 Menschen einen Bandscheibenvorfall.
Zur Behandlung von Bandscheibenerkrankungen, insbesondere eines Bandscheibenvorfalles, sind verschiedene Therapieansätze bekannt. Bei einer konservativen Behandlung wird es angestrebt durch Verabreichung von Schmerzmitteln und Physiotherapie sowie Rückschulungen die Beschwerden zu lindern und ggf. eine Rückbildung des Bandscheibenvorfalls zu fördern.
Bei Versagen der konservativen Therapie oder besonders schwerwiegenden Verläufen und insbesondere bei Lähmungserscheinungen muss operativ therapiert werden. Hierbei wird ein Teil der vortretenden Bandscheibe chirurgisch entfernt, um den Druck im Wirbelkanal zu lindern. Beschwerdefreiheit kann jedoch auch hierdurch nicht sicher garantiert werden. Zudem können Rezidive auftreten und physiologische Elastizität der Bandscheibe ist an der betreffenden Stelle dauerhaft beeinträchtigt.
Neuere Therapieansätze umfassen zudem eine Regeneration des Gallertkerns durch Injektion von körpereigenem Gewebe, Injektion eines künstlichen Gallertkerns zur Stabilisierung der Bandscheibe oder der Austausch der erkrankten Bandscheibe durch ein Implantat.
Die WO 2004/073563 A2 beschreibt ein Fusionsimplantat für Wirbel zur Behandlung von
Bandscheibenvorfällen. Das Fusionsimplantat umfasst einen Ballon, welcher mit härtbarem Material gefüllt ist, um die Last der Wirbel aufzunehmen. Als härtbare Materialien werden u.a. Zement umfassend Calcium oder vernetzbare Polymere offenbart.
Die US 6,723,335 B1 offenbart Therapieverfahren zur Regeneration von Bandscheiben durch Injektion einer Fluidmatrix bzw. eines Hydrogels. Die Fluidmatrix wird aus dezellularisiertem Nucleous pulposus Gewebe eines externen Spenders oder desselben Patienten mit Hilfe von photooxidativen Katalysatoren vernetzt. Das Crosslinking wird in-vitro durchgeführt und anschließend wird die vernetzte Fluidmatrix in die Wirbelzwischenräume injiziert.
Die Verfahren sind jedoch aufwendig. Zudem kann eine verminderte Verbindung zwischen einem injizierten Hydrogel oder einem Implantat mit dem endogenen Gewebe zu Stabilitätsverlusten führen.
Die WO 201 1/002889 A2 und US 2005/0209699 A1 offenbaren Verfahren zur in-situ Vernetzung körpereigener Kollagengewebe im menschlichen Körper. Hierzu werden als Crosslinker u.a. Genipin oder Proantrocyanidin in das körpereigene Kollagengewebe injiziert, um dieses zu stabilisieren. Bei physiologischen Konzentrationen der Crosslinker nimmt die
Vernetzungsreaktion mehrere Stunden bis hin zu einigen Tage in Anspruch, sodass es zu zwischenzeitlichen Form- oder Strukturänderungen des zu stabilisierenden Gewebes kommen kann.
Riboflavin ist ein Vitamin aus dem B-Komplex, kann jedoch auch zum Crosslinking von
Kollagengeweben verwandt werden. Eine mittels Riboflavin katalysierte Photopolymerization umfasst die Produktion von Singulett-Sauerstoff, welches mit funktionellen Gruppen des Kollagengewebes reagieren kann (Min et al. 2002, Huang et al. 2004, Choe et al. 2005). Die Reaktion umfasst Tyrosinreste, welche im Kollagen Pi-Pi-Komplexe bilden und zu Dityrosine Crosslinks führen (LaBella et al. 1968, Waykole et al. 2009) .
Scott McCall et al. haben gezeigt, dass neben den Singulett-Sauerstoffen auch den
Carbonylgruppen und Proteoglycanen eine wichtige Rolle bei der Photopolymerization zukommt und die Bildung kovalenter Bindungen zwischen Collagen-Collagen-Fasern oder Collagen- Proteoglycanen unterstützen (McCall et al. 2010).
Im medizinischen Bereich wird die Vernetzungseigenschaft von Riboflavin vorwiegend zur Behandlung von Keratokonus eingesetzt. Keratokonus ist eine Augenkrankheit, welche die fortschreitende Ausdünnung und Verformung der Hornhaut bezeichnet und einer der häufigsten Gründe für eine Hornhauttransplantation ist.
Bei einer Standardanwendung werden einige Tropfen von Riboflavin auf die Hauthornhaut aufgetragen, sodass diese in die unterliegenden Gewebeschichten eindringen können. Mittels einer UV-Bestrahlung wird im Anschluss die Vernetzungsreaktion ausgelöst. In den meisten Fällen kann hierdurch eine Stärkung der Hornhaut erzielt werden, sodass der Krankheitsverlauf gestoppt wird (Mahgol Farjadnia et al. 2015, Wollensak et al. 2006, Hafezi et al. 2009).
Kürzlich wurde zudem über die Möglichkeit einer Photoaktivierung von Riboflavin zur Stärkung der Hornhaut (Kornea) auf Basis Multi photon en-An reg ung berichtet (Samantha et al. 2017). Anstelle der Verwendung einer UV-Lichtquelle erfolgt die Bestrahlung mittels eines Femtolasers bei ca. 760 nm, wobei eine nicht-lineare Zwei-Photonen-Anregung zu einer Riboflavin vermittelten Vernetzungsreaktion führt.
Ein therapeutisches Potential von Riboflavin zur Behandlung von Erkrankungen echter oder unechter Gelenke, insbesondere Bandscheibenerkrankungen, wurde bisher nur unzureichend untersucht.
Aufgabe der Erfindung
Im Lichte des Standes der Technik war es eine Aufgabe der Erfindung alternative oder verbesserte Behandlungsmöglichkeiten bereitzustellen, um Erkrankungen echter oder unechter Gelenke, insbesondere Bandscheibenerkrankungen, zu therapieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Die Erfindung betrifft bevorzugt Riboflavin zur Verwendung als Medikament in der Behandlung einer Erkrankung eines echten oder unechten Gelenkes, wobei die Behandlung in-situ im Patienten erfolgt und eine lokale Verabreichung von Riboflavin in ein kollagenreiches Gewebe des Gelenkes sowie eine anschließende Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung umfasst.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt Riboflavin im Kontext der Behandlung von
Keratokonus zur Stärkung von Kollagengeweben einzusetzen. Es war jedoch völlig
überraschend, dass sich Riboflavin auch für eine in-situ Vernetzung von kollagenreichen
Geweben bei einer Erkrankung von echten oder unechten Gelenken, insbesondere bei
Bandscheibenerkrankungen, eignet.
Unter dem Begriff der Gelenke sollen jegliche anatomische Strukturen verstanden werden, welche eine bewegliche Verbindung knöcherner oder knorpliger Skelettelemente erlauben.
Die Gelenke des menschlichen Körpers können in echte (diskontinuierliche) und unechte
(kontinuierliche Gelenke) unterteilt werden.
Unechte Gelenke sind kontinuierliche knorpelige oder bindegewebige Knochenverbindungen, die keine Unterbrechung aufweisen und daher zumeist eine eingeschränkte Beweglichkeit besitzen.
Zu den unechten (kontinuierlichen) Gelenken, welche auch als Haften bezeichnet werden, gehören insbesondere knorpelige Knochenverbindungen. Diese umfassen Synchrondrosen, welche eine Verbindung über hyaline Knorpel gewährleisten (z.B. Rippenknorpel) oder
Symphysen, welche Verbindung über Faserknorpel meinen (z.B. Bandscheiben). Aber auch bindegewebige Knochenverbindungen, wie z.B. Nähte zwischen den Schädelknochen oder Syndemosen als bandhafte Verbindung zwischen Elle und Speiche sind Beispiele unechter Gelenke.
Bei den echten (diskontinuierlichen) Gelenken befindet sich zwischen den Knochenenden in der Regel ein sogenannter Gelenkspalt, wobei die Gelenkflächen von Gelenkknorpel überzogen sind. Um das Gelenk wiederum befindet sich eine Gelenkkapsel, umfassend eine äußeren Membrana fibrosa (straffes Bindegewebe) und eine inneren Membrana synovialis (ein epithelähnlicher Bindegewebsverband).
Kollagenreiche Bindegewebe dienen der Stabilisierung von echten oder unechten Gelenken. Durch Verschleiß oder Altersprozesse können die kollagenreichen Bindegewebe ihre
biomechanische Eigenschaften einbüßen. Hierdurch treten Erkrankungen auf, welche mittels der erfindungsgemäßen Verabreichung des Riboflavin behandelbar sind.
Die behandelbaren Erkrankungen betreffen somit insbesondere Störungen der biomechanischen Funktion kollagenreicher Gewebe in den Gelenken, beispielsweise eine alters- oder
verschleißbedingte Verminderung der Elastizität.
Das beanspruchte Riboflavin ist bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass in-situ im Patienten eine lokale Verabreichung in ein kollagenreiches Gewebe des Gelenkes und eine anschließend UV-Bestrahlung erfolgt.
Die lokale Verabreichung kann auf verschiedene Weise erfolgen. Beispielsweise können Tropfen einer Riboflavin-Lösung auf die betreffende Stelle in-situ appliziert werden, sodass das Riboflavin in darunter liegenden Gewebsschichten diffundiert. Neben einer solchen Instillation, kann es aber auch bevorzugt sein, dass das Riboflavin lokal in das kollagenreiche Gewebe des erkrankten Gelenkes injiziert wird.
Durch Diffusion breitet sich das Riboflavin im kollagenreichen Gewebe des Gelenkes aus, sodass es je nach Verabreichung und Konzentration innerhalb wenigen Minuten in einer weitestgehend homogenen Verteilung vorliegt.
Zur Photopolymerization und Vernetzung der Kollagenfasern erfolgt nach Verabreichung des Riboflavin eine in-situ Bestrahlung des betroffenen Gewebes mit elektromagnetischer Strahlung. Unter elektromagnetischer Strahlung wird bevorzugt Licht verstanden, welches sowohl sichtbares Licht, als auch nicht-sichtbares Licht, insbesondere ultraviolettes (UV) Licht oder auch infrarotes (IR) Licht, umfassen kann.
In bevorzugten Ausführungsformen liegt die elektromagnetische Strahlung in einem
Wellenlängenbereich von 200 nm bis 3000 nm, bevorzugt 200 nm bis 1500 nm vor. Bevorzugt kann jeder Wellenlängenbereich zum Einsatz kommen, weicher eine Riboflavin vermittelte Photopolymerization der Kollagenfasern induziert. Hierzu eignen sich beispielsweise sowohl eine UV-Bestrahlung, also auch eine Multiphoton-Bestrahlung unter Ausnutzung nicht-linearer optischer Effekte.
Im Gegensatz zu anderen Ansätzen im Stand der Technik kann die Vernetzungsreaktion mittels einer elektromagnetischen Bestrahlung, beispielsweise mittels UV-Licht oder Multiphoton- Anregung, vorteilhafterweise räumlich und zeitlich besonders kontrolliert erfolgen. Die lokale Verabreichung des Riboflavin zusammen mit einer lokalen Bestrahlung bewirkt eine zweifache Fokussierung auf einen gewünschten Gewebebereich, sodass ggf. unerwünschte Kollagen- Vernetzungen in angrenzenden Gewebeschichten wirksam vermieden werden. Zudem kann eine Vernetzung bereits innerhalb eines kurzen Zeitraums erfolgen. Beispielsweise lässt sich mittels einer UV-Bestrahlung oder einer Multiphoton-Bestrahlung eine hinreichende Stabilisierung des Gewebes innerhalb einigen Minuten realisieren.
Durch die lokale Verabreichung in-situ und anschließende Bestrahlung ist zudem eine Extraktion des kollagenreichen Gewebes zur ex-situ Aufbereitung und anschließenden Rückführung nicht notwendig. Dies vereinfacht die Therapie und vermindert zudem das Risiko einer
Abstoßungsreaktion des Immunsystems oder das Auftreten anderer Nebenwirkungen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektromagnetische Strahlung eine UV- Bestrahlung. Unter einer UV-Strahlung wird bevorzugt eine Strahlung in einem
Wellenlängenbereich von 200 - 400 nm, besonders bevorzugt 320 - 380 nm verstanden.
Durch die UV-Bestrahlung erfolgt eine nachweisbare Vernetzung der Kollagenfasern im Gewebe eines betroffenen Gelenkes, insbesondere einer Bandscheibe, an denen eine hinreichende Konzentration von Riboflavin vorliegt. In Fig. 1 werden verschiedene molekulare Mechanismen illustriert, welche hierbei eine Rolle spielen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Bestrahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 700 nm, wobei bevorzugt eine gepulste Lichtquelle verwandt wird, sodass eine durch Riboflavin vermittele Vernetzungsreaktion bevorzugt durch nicht-lineare optische Effekte bewirkt wird.
Die nichtlineare Optik (NLO) oder nicht-lineare optische Effekte bezeichnen bevorzugt die Interaktion von elektromagnetischen Wellen, bei denen der Zusammenhang zwischen elektrischem Feld und elektrischer Polarisation in einem Medium nicht linear, sondern höheren Grades ist. Im Bereich der nichtlinearen Optik ist es insbesondere bekannt, dass zwei oder mehr Photonen, simultan von einem Molekül oder ein Atom absorbiert werden können, welches hierdurch in einen energetisch angeregten Zustand übergeht. Der Prozess wird auch als
Multiphoton-Anregung oder Multiphoton-Absorption bezeichnet.
Kann ein Molekül, wie Riboflavin, beispielsweise im Bereich der linearen Optik (d.h. unter simultaner Absorption von einem Photon pro Molekül) mittels UV-Licht einer Wellenlänge von 370 nm angeregt werden, kann eine Zwei-Photon-Absorption mit Licht im Wesentlichen doppelter Welllänge, also 740 nm, erfolgen.
Nichtlineare optische Effekte treten erst bei sehr hohen Intensitäten auf. Für niedrige Intensitäten gilt näherungsweise, dass die Polarisation linear mit dem elektrischen Feld ansteigt mit der elektrischen Suszeptibilität als Proportionalitätsfaktor. Mit anderen Worten weist eine Ein-Photon- Absorption eine lineare Abhängigkeit von der Intensität des Lichtes auf.
Bei einer Zwei-Photonen-Absorption müssen hingegen zwei Photonen simultan absorbiert, sodass eine quadratische Abhängigkeit von der Intensität des Lichtes vorliegt: Anders ausgedrückt müssen zur Beschreibung des Zusammenhanges von Polarisation und elektrischem Feld, Terme höherer Ordnung für die elektrische Suszeptibilität berücksichtigt werden. Für eine Zwei-Photon-Absorption entspricht dies einer quadratischen Ordnung, während für einen 3- Photonen-Absorption-Prozess die kubische Ordnung der elektrischen Suszeptibilität die
Absorptionswahrscheinlichkeit kennzeichnet.
Zur Bereitstellung hoher Intensitäten, welche für Multiphotonen-Prozesse notwendig sind, erfolgt bevorzugt eine gepulste Strahlung, d.h. eine Bestrahlung, welche durch eine Sequenz von Lichtpulsen gekennzeichnet ist.
Für eine gepulste Strahlung zur nicht-linearen Anregung eignen sich insbesondere Pulslaser. Im Gegensatz zur Dauerstrichlasern (engl. CW-Laser) emittieren Pulslaser das Licht nicht kontinuierlich, sondern gepulst. D. h. das Licht wird in einer Sequenz von Lichtpulsen emittiert. Anhand der zeitlichen Länge der Pulse unterscheidet man beispielsweise zwischen
Nanosekunden, Pikosekunden und insbesondere Femtosekunden-Laser.
Mittels eines Femtosekunden-Lasers (Wellenlänge = 760 nm) konnten beispielsweise sehr gute Ergebnisse für eine Riboflavin vermittelte Vernetzung von Kollagengeweben realisiert werden.
Die verschiedenen molekulare Mechanismen mittels derer Riboflavin die Vernetzung von Kollagengeweben induziert, können teilweise analog zu den in der Fig. 1 gezeigten
Mechanismen erfolgen, wobei einer Anregung jedoch nicht mit UV-Licht, sondern beispielsweise mit Pulslasern einer Wellenlänge von 700 nm oder mehr erfolgt. Eine Multiphoton-Bestrahlung zur Photoaktivierung weist eine Reihe besonderer Vorteile gegenüber einer UV-Bestrahlung auf.
Insbesondere kann durch eine Multiphoton-Bestrahlung das Risiko von Zellschädigungen, beispielsweise der DNA durch die UV-Strahlung oder das Auftreten von sauerstofffreien
Radikalen vermieden werden. Weiterhin kann durch die Multiphoton-Anregung eine sehr präzise Bestrahlung erfolgen. Wie obig erläutert, hängt beispielsweise eine Zwei-Photonen-Anregung quadratisch von der Intensität ab, sodass intrinsisch gewährleistet wird, dass die nicht-linearen optischen Effekte und mithin eine Vernetzung gezielt in sehr kleinen Volumina erfolgt.
Ein weiterer entscheidender Vorteil besteht in der Möglichkeit der Verwendung von
energiearmen, langwelligem Licht, beispielsweise einer Wellenlänge von 700 nm oder mehr. Während kurzwelliges UV-Licht stark vom menschlichen Gewebe gestreut oder absorbiert wird und nur geringe Gewebetiefen erreichen kann, kann energiearmes, langwelliges Licht mit Wellenlängen von 700 nm oder mehr, mehrere Millimeter in die Gewebestrukturen eindringen.
Anstelle einer Vernetzungsreaktion an der Oberfläche kann somit auch in tiefen
Gewebestrukturen mit hoher Präzision sowohl in lateral als auch axialer Hinsicht eine
Vernetzungsreaktion der Kollagenfasern katalysiert werden.
Die Erfinder haben erkannt, dass die vorgenannten Vorteile sich in besonderem Maße auf die Verbesserung der Behandlungsmöglichkeiten von Erkrankungen echter oder unechter Gelenke übertragen. Nicht nur kann die Photopolymerization in-situ fokussierter in tiefen Gewebeschichten erfolgen. Zudem können auch unerwünschte Zellschädigungen in diesen besonders sensitiven Gewebestrukturen vermieden werden. Besonders bevorzugt kann das Riboflavin
erfindungsgemäß zur Behandlung von Bandscheibenerkrankungen eingesetzt werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung daher Riboflavin zur Verwendung als Medikament in der Behandlung eines Patienten mit einer Bandscheibenerkrankung, wobei die Behandlung eine lokale Verabreichung von Riboflavin an der Stelle der Erkrankung der Bandscheibe und anschließende -Bestrahlung der Stelle der Erkrankung umfasst.
Die Stelle der Erkrankung der Bandscheibe meint bevorzugt eine Stelle der Bandscheibe, welche zumindest eine teilweise Degeneration erfahren hat.
Beispielsweise kann es sich bei der zu behandelnden Bandscheibenerkrankungen, um einen Bandscheibenvorfall handeln, wobei an der Stelle der Erkrankung Teile des in den Wirbelkanal ausgetretenen Nucleus pulposus operativ entfernt wurden. Mittels der lokalen Verabreichung von Riboflavin wird das verbleibende Gewebe der Bandscheibe an der betreffenden Stelle verstärkt, sodass ein erneuter Bandscheibenvorfall effektiv verhindert wird.
Bei einer Bandscheibenprotrusion oder einem Bandscheibenprolaps beugt sich der Nucleus pulposus zwar in den Wirbelkanal vor, tritt aber noch nicht in diesen aus. Der An ul us fibrosus ist weitestgehend intakt und wirkt einem Austritt entgegen. Vorteilhafterweise kann jedoch auch in diesem Fall eine lokale Verabreichung von Riboflavin das degenerierte Bandscheibengewebe derart stärken, dass sich die Vorwölbung zurück bildet oder zumindest nicht weiter
voranschreitet. Das erfindungsgemäß verabreichbare Riboflavin kann jedoch auch zur Stärkung von degeneriertem Bandscheibengewebe genutzt werden, bevor ein Austritt oder ein Vorwölben des Nucleus pulposus in den Wirbelkanal sichtbar wird.
Beispielsweise kann eine Bandscheibe durch eine Unterversorgung der Chondrozyten des Nucleus pulposus oder Schwächung der konzentrischen Gewebsschichten des Anulus fibrosus an Elastizität eingebüßen. Die erkrankte Stelle der Bandscheibe tritt zwar noch nicht in den Wirbelkanal aus, kann jedoch durch die verminderte biomechanische Stabilität bereits zu Rückenproblemen führen oder ein erhöhtes Risiko darstellen. Auch in diesem Fall kann die beanspruchte lokale Verabreichung des Riboflavin das Gewebe wieder stabilisieren.
Die lokale Verabreichung kann auf verschiedene Weise erfolgen. Beispielsweise können Tropfen einer Riboflavin-Lösung auf die betreffende Stelle appliziert werden, sodass das Riboflavin in darunter liegenden Gewebsschichten diffundiert. Neben einer solchen Instillation, kann es aber auch bevorzugt sein, dass Riboflavins lokal in Gewebsschichten der Bandscheibe zu injizieren.
Nach der lokalen Verabreichung zeigt das Riboflavin ein Diffusionsverhalten, welches eine optimale Vernetzung des Bandscheibengewebes erlaubt. Von bisherigen Anwendungen bei der Behandlung von Keratokonus konnte dies nicht erwartet werden.
So breitet sich das Riboflavin je nach Verabreichung und Konzentration innerhalb von Sekunden bis wenigen Minuten homogen im Gewebe des Nucleus pulposus sowie des Anulus fibrosus aus. Vorteilhafterweise erfolgt dies ohne eine zu starke Verdünnung durch Diffusion in benachbarte Gewebeschichten. Stattdessen kann das Riboflavin durch die lokale Verabreichung kontrolliert in die erkrankte Stelle des Bandscheibengewebes eingebracht werden, um in-situ durch
Photopolymerization das Gewebe zu stärken.
Zu diesem Zweck erfolgt nach lokaler Verabreichung des Riboflavin eine lokale Bestrahlung der betreffenden Stelle mit elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise UV-Licht oder einem Pulslaser mit einer Wellenlänge von 700 nm oder mehr. Hierdurch wird auf kontrollierte Weise lokal der Aufbau von Vernetzungen zwischen den Kollagenfasern unterstützt, sodass die biomechanische Stützfunktion der Bandscheibe wieder hergestellt wird.
Besonders überraschend ist jedoch, dass durch die Bestrahlung nicht nur eine Stärkung der einzelnen Bandscheibenkomponenten erfolgt, sondern eine besondere Stabilisierung der Verbindung zwischen dem Nucleus pulposus und dem umschließenden Anulus fibrosus.
Da die biomechanische Elastizität der Bandscheibe von dem Zusammenwirken beider Gewebe abhängt, führt die durch das Riboflavin vermittelte Vernetzung zu besonders guten Ergebnissen. Im Gegensatz zu Ansätzen des Standes der Technik, welche ein Transplantieren einer Hydrogels in den Nucleus pulposus vorsehen, kann durch die erfindungsgemäße Verabreichung des Riboflavin mithin eine verbesserte Gesamtstabilisierung des Bandscheibensystems erzielt werden.
Zudem erhöht die Vernetzung durch Riboflavin die Ermüdungsbeständigkeit des behandelten Gewebes, verringert eine Degeneration, die sich aus der wiederholten physiologischen Belastung ergibt, erhöht die Widerstandsfähigkeit gegenüber einem potentiellen Zerreissen des Anulus fibrosus und die hydraulische Permeabilität des Nucleus pulposus.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Riboflavin zur Verwendung als Medikament in der Behandlung eines Patienten mit einer Deformation der Wirbelsäule, insbesondere einer Spondylolisthesis oder Skoliose.
Spondylolisthesis bezeichnet eine Instabilität der Wirbelsäule, bei der das obere Teilstück der Wirbelsäule mit dem Gleitwirbel über den darunter liegenden Wirbelkörper gleitet. Durch eine lokale Verabreichung von Riboflavin und anschließendem Crosslinking durch Bestrahlung lassen sich die Wirbelgelenke stabilisieren, sodass ein Gleiten verhindert wird. Die Anwendung kann auch bereits prophylaktisch erfolgen, um durch eine stetige Stabilisierung der Wirbelsäule derartigen Erkrankungen vorzubeugen.
Eine Skoliose ist eine Seitabweichung der Wirbelsäule von der Längsachse mit ggf. Rotation der Wirbel und Torsion der Wirbelkörper, welche zudem von strukturellen Verformungen der Wirbelkörper begleitet sein kann. Durch eine gezielte lokale Stärkung von kollagenreichen Geweben, welche die knöchernen Wirbel miteinander verbinden und stützen, kann eine
Verminderung der Seitabweichung und damit einhergehender Symptome erzielt werden.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Riboflavin zur Verwendung als Medikament in der Behandlung einer Erkrankung eines echten Gelenkes. Auch echte Gelenke, wie Knie, Ellbogen, Schultern etc. sind hohen Druckbelastung und physiologischen
Alterungsprozessen ausgesetzt, sodass es zu Verschleißerscheinung oder funktionellen Störungen kommen kann. Vorteilhafterweise kann auch für derartige Erkrankungen das
Riboflavin eingesetzt werden, um ein kollagenreiches Bindegewebe, beispielsweise in einer Gelenkkapsel, zu stärken.
In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Riboflavin zur Verwendung als Medikament in der Behandlung eines Patienten mit einer Bandscheibenerkrankung, wobei die lokale Verabreichung eine Injektion des Riboflavin, bevorzugt in den Anulus fibrosus und/oder den Nucleus pulposus, umfasst.
Gegenüber anderen lokalen Verabreichungen, wie der Instillation, zeichnet sich die Injektion durch ein besonders kontrollierbares Diffusionsverhalten des Riboflavin im betroffenen Gewebe aus. Durch die Injektion wird bereits eine physische Barriere, bevorzugt mindestens die äußere Schicht des Anulus fibrosus durchbrochen, sodass die Diffusion im Innern der Bandscheibe schneller und homogener erfolgt. Die Injektion kann beispielsweise mittels einer Spritze mit aufgesetzter Kanüle erfolgen. Zu diesem Zweck können aber auch andere medizinische
Injektionsmittel eingesetzt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung Riboflavin zur Verwendung als Medikament in der Behandlung eines Patienten mit einer Bandscheibenerkrankung, wobei die lokale Verabreichung jeweils eine Injektion des Riboflavin in den Anulus fibrosus und den Nucleus pulposus umfasst. Bei dieser Verabreichungsform handelt es sich somit bevorzugt um eine zweifache Injektion sowohl in den Anulus fibrosus als auch in den Nucleus pulposus. Hierdurch wird zum einen die Diffusionszeit des Riboflavins zur vollständigen Ausbreitung im gewünschten Bandscheibenbereich verkürzt. Zum anderen erfolgt eine überraschend stabile Vernetzung der beiden Gewebebestandteile der Bandscheibe und ausgezeichnete
Wiederherstellung der Elastizität des degenerierten Gewebeabschnittes. Das vorteilhafte Diffusionsprofil bildet sich weiterhin auch bei geringeren Dosen des Riboflavin aus, sodass die Gesamtdosis vermindert werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Riboflavin zur
Verwendung als Medikament in der Behandlung einer Erkrankung eines echten oder unechten Gelenkes, bevorzugt einer Bandscheibenerkrankung, wobei die Bestrahlung eine UV- Bestrahlung ist und mit einer Wellenlänge zwischen 200 und 400 nm, bevorzugt zwischen 320 und 380 nm und/oder einer Strahlungsintensität von 0,1 mW bis 500 mW, bevorzugt 0,2 bis 50 mW, erfolgt.
Experimentell erweisen sich die vorgenannten Parameter als besonders vorteilhaft. So werden ausgezeichnete Ergebnisse in Bezug auf das Vernetzungsvermögen sowie der daraus resultierenden Aufbau eines elastischen Gewebes erzielt. Trotz der zuverlässigen
Photopolymerization erfolgt mit den vorgenannten Parametern nur der notwendige
Energieübertrag in das Gewebe. Strahlungsbasierte Nebenwirkungen können wirksam vermieden werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Riboflavin zur
Verwendung als Medikament in der Behandlung einer Erkrankung eines echten oder unechten Gelenkes, bevorzugt einer Bandscheibenerkrankung, wobei die Bestrahlung mit Pulsen einer Wellenlänge von mehr als 700 nm mit einer Pulsdauer im Bereich von Nanosekunden oder Femtosekunden erfolgt.
Nanosekundenbereich meint bevorzugt einen Bereich von 1 ns (Nansekunde) bis 1000 ns. Femtosekundenbereich meint bevorzugt einen Bereich von 1 fs (Femtosekunde) bis 1000 fs.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Pulsdauer im Bereich von 10 fs bis 500 fs, besonders bevorzugt 50 fs bis 250 fs. Auch Zwischenbereiche aus den vorgenannten Bereichen können bevorzugt seien, wie beispielsweise 10 fs bis 50 fs, 50 fs bis 100 fs, 100 fs bis 150 fs,
150 fs bis 200 fs, 200 fs bis 250 fs, 250 fs bis 300 fs, 300 fs bis 350 fs, 350 fs bis 400 fs, 400 fs bis 450 fs oder auch 450 fs bis 500 fs. Ein Fachmann erkennt, dass die vorgenannten
Bereichsgrenzen auch kombiniert werden können, um weitere bevorzugte Bereich zu erhalten, wie beispielsweise 10 fs bis 150 fs oder 200 fs bis 250 fs.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Wellenlänge der Pulse im Bereich von 700 nm bis 820 nm, besonders bevorzugt 720 nm bis 800 nm, am meisten bevorzugt 740 nm bis 780 nm. Auch Zwischenbereiche aus den vorgenannten Bereichen können bevorzugt seien, wie beispielsweise 700 nm bis 720 nm, 720 nm bis 740 nm, 740 nm bis 760 nm, 760 nm bis 780 nm, 780 nm bis 800 nm oder auch 800 nm bis 820 nm. Ein Fachmann erkennt, dass die
vorgenannten Bereichsgrenzen auch kombiniert werden können, um weitere bevorzugte Bereich zu erhalten, wie beispielsweise 700 nm bis 760 nm oder 720 nm bis 800 nm. In einer Ausführungsform liegt die Wiederholungsrate der Pulse in einem Bereich von 10 MHz bis 100 MHz und/oder die Energie pro Puls beträgt 1 nJ bis 1 mϋ (Joule), bevorzugt 1 nJ bis 100 nJ.
Typische kommerziell erhältliche Titan-Sapphire Laser (vgl. u.a. die Chameleon Produktreihe (z.B. Chameleon Ultra) der Coherent Inc., Santa Clara) weisen beispielsweise im Modelock- Betrieb eine Wiederholungsrate von 70 bis 90 MHz auf mit Pulsenergien im Bereich von einigen Nanojoule. Nachteilig an den hohen Wiederholungsraten ist deren hohe durchschnittliche Strahlungsintensität.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Wiederholungsrate der Lichtpulse in einem Bereich von 1 kHz bis 1000 kHz, bevorzugt 1 kHz bis 100 kHz, besonders bevorzugt 1 kHz bis 50 kHz und/oder die Energie pro Puls beträgt 100 nJ bis 50 pJ (Joule), bevorzugt 0,5 pJ bis 5 pJ.
In Bezug auf die Wiederholungsrate können auch Zwischenbereiche aus den vorgenannten Bereichen bevorzugt seien, wie beispielsweise 1 kHz bis 5 kHz, 5 kHz bis 10 kHz, 10 kHz bis 20 kHz, 20 kHz bis 50 kHz, 50 kHz bis 100 kHz, 100 kHz bis 200 kHz, 200 kHz bis 500 kHz oder auch 500 kHz bis 1000 kHz. Ein Fachmann erkennt, dass die vorgenannten Bereichsgrenzen auch kombiniert werden können, um weitere bevorzugte Bereiche zu erhalten, wie beispielsweise 5 kHz bis 20 kHz oder 10 kHz bis 50 kHz.
Ebenso können Zwischen bereiche in Bezug auf die Energie pro Puls bevorzugt sein, wie beispielsweise 100 nJ bis 200 nJ, 200 nJ bis 500 nJ, 500 nJ bis 1 pJ, 1 pJ bis 2 pJ, 2 pJ bis 5 pJ, 5 pJ bis 10 pJ, 10 pJ bis 20 pJ oder auch 20 pJ bis 50 pJ. Ein Fachmann erkennt, dass die vorgenannten Bereichsgrenzen auch kombiniert werden können, um weitere bevorzugte
Bereiche zu erhalten, wie beispielsweise 200 nJ bis 2 pJ oder 1 pJ bis 20 pJ.
Im Stand der Technik ist es bekannt mittels beispielsweise einer regenerative amplification oder chirped pulse amplification die Pulse eines Femtosekunden-Lasers (z.B. Ti:Sa) mit einer Wiederholungrate von 70 bis 90 MHz und Pulsen im Nanojoule-Bereich auf Wiederholungsraten im kHz-Bereich und Energiepulse im Bereich von pJ (Mikrojoule) oder mJ (Millijoule) Joule zu verstärken. Während derartige Amplifikationstechniken bevorzugt zur Erzeugung sehr leistungsstarker Laserpulse verwandt werden (vgl. Dubietis et al. 2006) kann hiermit im Kontext der Gewebestrahlung die durchschnittliche Strahlungsintensität und somit die thermische Belastung für das Gewebe besonders niedrig gehalten werden.
Wie Samantha et al 2017 in Bezug auf die Kornea zeigen konnten, kann beispielsweise eine Riboflavin vermittelte Vernetzung der Kollagenfasern bei einer Wiederholungsrate von 76 MHz und einer Pulsenergie 1 1 nJ/Puls erfolgen, wobei die durchschnittliche Strahlungsintensität 900 mW beträgt. Ebenso kann mit einer Wiederholungsrate von 5 kHz bei einer Pulsenergie von 2,4 pJ/Puls eine Riboflavin vermittelte Vernetzung der Kollagenfasern erfolgen, wobei die
durchschnittliche Strahlungsintensität lediglich 12 mW beträgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die durchschnittliche Strahlungsintensität für die Bestrahlung mit Lichtpulsen im Bereich von 0,1 mW bis 1000 mW, bevorzugt 0,2 bis 100 mW, besonders bevorzugt 1 mW bis 50 mW. Die bevorzugt vorgenannten Parameter sind besonders vorteilhaft, um einer hohen Grad an Vernetzung mit präziser Steuerung auch in tiefer liegenden Gewebeschichten zu gewährleisten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung Riboflavin zur Verwendung als Medikament in der Behandlung einer Erkrankung eines echten oder unechten Gelenkes, bevorzugt einer Bandscheibenerkrankung, wobei die UV-Bestrahlung nach einer Zeitspanne von 10 sec (Sekunden) bis 30 min, bevorzugt 30 sec bis 20 min, im Anschluss an die lokale
Verabreichung des Riboflavins begonnen wird und für einen Zeitraum von 10 sec bis 30 min, bevorzugt 30 sec bis 10 min erfolgt.
Bei Einsatz der genannten zeitlichen Abfolge und Zeitspannen werden die besten
therapeutischen Ergebnisse verzeichnet. Zum einen sind die Zeiträume ausreichend, um eine hinreichend homogene Verteilung des Riboflavin über den gewünschten Bereich sicherzustellen. Zum anderen kann durch die Obergrenzen vermieden werden, dass das Riboflavin bereits in signifikantem Maße in angrenzende Gewebeschichten diffundiert. Dies gewährleistet bei geringer Dosierung des Riboflavin ein ausgezeichnetes Crosslinking des Kollagengewebes, ohne dass es in ggf. unerwünschten Bereichen zu Vernetzungsreaktionen kommt.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine pharmazeutische Zusammensetzung zur Verwendung als Medikament in der Behandlung eines Patienten mit einer Erkrankung eines unechten oder echten Gelenkes, bevorzugt einer Bandscheibenerkrankung, wie hierin beschrieben, umfassend
a) ein erfindungsgemäßes Riboflavin oder eine bevorzugte Ausführungsform davon b) einen pharmazeutischen Träger
Der pharmazeutische Träger betrifft bevorzugt ein Material, besonders bevorzugt in flüssiger Form als Lösung, welches nicht mit der Wirkung des Riboflavin interferiert. Stattdessen dient der pharmazeutischen Träger bevorzugt sowohl einer Stabilisierung des Riboflavin für die Lagerung, als auch einer effektiven Verabreichung in das betreffende Gewebe. Verschiedene
pharmazeutische Träger können zu diesem Zweck bevorzugt verwandt werden und
beispielsweise Wasser, Salze, Pufferstoffe oder Konservierungsstoffe enthalten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der pharmazeutischen Träger eine hypoosmolare Lösung. Der Begriff hypoosmolar bedeutet bevorzugt, dass die Lösung eine geringere Osmolarität als die Flüssigkeit im kollagenreichen Bindegewebe aufweist, in welcher das Riboflavin lokal verabreicht wird. Besonders bevorzugt sind Osmolaritäten von 1 mOSm/l bis 2000 mOsm/l, wobei die Osmolarität bzw. die osmotische Konzentration die
Stoffmengenkonzentration (bzw. Molarität) der osmotisch aktiven Teilchen der Lösung angeben.
Mit einer hypoosmolaren Lösung können besonders gute Ergebnisse in Bezug auf die räumlich zeitliche Ausbreitung der pharmazeutischen Zusammensetzung im betreffenden Gewebe erzielt werden. Insbesondere führt die hypoosmolare Lösung dazu, dass der Wirkstoff Riboflavin zuverlässig in das kollagenhaltige Bindegewebe, wie dem Nucleus pulpusus oder dem Anulus fibrosus eindringt und nach der UV-Bestrahlung Verstärkung der Kollagenfasern führt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung eine pharmazeutische Zusammensetzung zur Verwendung als Medikament in der Behandlung eines Patienten mit einer Erkrankung eines echten oder unechten Gelenkes, bevorzugt einer Bandscheibenerkrankung, wobei das Riboflavin in der pharmazeutischen Zusammensetzung in einer Konzentration von 0,01 Gew.-% bis 5 Gew.-% vorliegt.
Auch Zwischenbereiche können aus den vorgenannten Bereichen bevorzugt seien, wie beispielsweise 0,01 Gew.-% bis 0,05 Gew.-%, 0,05 Gew.-% bis 0,1 Gew.-%, 0,1 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%, 0,2 Gew.-% bis 0,5 Gew.-%, 0,5 Gew.-% bis 1 Gew.-%, 1 Gew.-% bis 2 Gew.-%, 2 Gew.- % bis 5 Gew.-%, 0,01 Gew.-% bis 5 Gew.-%, 0,01 Gew.-% bis 5 Gew.-%, 0,01 Gew.-% bis 5 Gew.-%. Ein Fachmann erkennt, dass die vorgenannten Bereichsgrenzen auch kombiniert werden können, um weitere bevorzugte Bereiche zu erhalten, wie beispielsweise 0,5 Gew.-% bis 2 Gew.-% oder auch 0,2 Gew.-% bis 2 Gew.-%.
Insbesondere in einer wässrigen Lösung, bevorzugt einer hypoosmolaren Lösung, können mit den vorgenannten Konzentrationen optimale Ergebnisse hinsichtlich einer homogenen Verteilung des Wirkstoffes im gewünschten Gewebebereich erzielt werden. Die Konzentration ist niedrig genug, um unerwünschte Nebenwirkungen oder Verklumpungen im Gewebe zu vermeiden, jedoch hoch genug, um eine effektive therapeutische Wirkung zu erzielen.
Die Menge der verabreichten pharmazeutischen Zusammensetzung kann individuell an Faktoren, wie den Grad der Erkrankung oder die Größe des kollagenreichen Gewebes angepasst werden.
Falls bei einer Bandscheibenerkrankung Teile des Nucleus pulposus operativ entfernt wurden, kann der verbleibende Hohlraum zur Gänze mit der pharmazeutischen Zusammensetzung gefüllt werden. Bei einer Injektion in den Anulus fibrosus oder Nucleus pulposus zur Stärkung des Bandscheibengewebes erweisen sich Volumina von 0,01 ml bis 10 ml als besonders geeignet.
Auch Zwischenbereiche aus den vorgenannten Bereichen können bevorzugt seien, wie beispielsweise 0,01 ml bis 0,05 ml, 0,05 ml bis 0,1 ml, 0,1 ml bis 0,5 ml, 0,5 ml bis 1 ml, 1 ml bis 5 ml, 5 ml bis 10 ml. Ein Fachmann erkennt, dass die vorgenannten Bereichsgrenzen auch kombiniert werden können, um weitere bevorzugte Bereiche zu erhalten, wie beispielsweise 0,5 ml bis 5 ml oder auch 0,01 ml bis 1 ml.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung eines Patienten mit einer Bandscheibenerkrankung umfassend die Schritte
- Bereitstellung von Riboflavin oder einer pharmazeutischen Zusammensetzung zur beschriebenen Verwendung als Medikament in der Behandlung eines Patienten mit einer Erkrankung eines echten oder unechten Gelenkes, bevorzugt einer Bandscheibe
- lokale Verabreichung von Riboflavin in ein kollagenreiches Gewebe des Gelenkes
- Bestrahlung des kollagenreichen Gewebes.
Der Fachmann erkennt, dass bevorzugte Ausführungsformen und Vorteile, welche für das Riboflavin zur Verwendung als Medikament offenbart wurden sich gleichermaßen auf das Verfahren übertragen. Beispielsweise wurde für das Riboflavin als bevorzugte Verabreichung eine lokale Injektion in den Nucleus pulposus und/oder den Anulus fibrosus offenbart. Für das Verfahren ist eine solche Injektion mithin gleichermaßen bevorzugt.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Kit zur Behandlung eines Patienten mit einer Bandscheibenerkrankung umfassend
- Riboflavin oder eine pharmazeutischen Zusammensetzung zur beschriebenen Verwendung als Medikament in der Behandlung eines Patienten mit einer Erkrankung eines echten oder unechten Gelenkes, bevorzugt einer Bandscheibe
- eine Injektionsvorrichtung geeignet für eine Injektion in die Bandscheibe
- einem Bestrahlungsgerät
und optional Anweisungen zur Behandlung eines Patienten in-situ durch eine lokale
Verabreichung von Riboflavin in ein kollagenreiches Gewebe des Gelenkes sowie eine anschließende Bestrahlung mit elektromagnetischer Bestrahlung, bevorzugt einer UV- Bestrahlung oder einer Multiphoton-Bestrahlung mit einer Wellenlänge von 700 nm oder mehr.
Der Fachmann erkennt, dass bevorzugte Ausführungsformen und Vorteile, welche für das Riboflavin oder die pharmazeutische Zusammensetzung zur Verwendung als Medikament offenbart wurden übertragen sich gleichermaßen auf den Kit. Beispielsweise wurde für die pharmazeutische Zusammensetzung eine hypoosmolare Lösung als bevorzugter pharmazeutischer Träger offenbart. Gleichermaßen ist es auch im Kit bevorzugt, Riboflavin in gelöst in einer hypoosmolaren Lösung vorliegen zu haben.
Die im Kit optional enthaltenen Anweisungen umfassen ebenso bevorzugte Ausführungsformen des beschriebenen Verfahrens zur Behandlung der Erkrankung der Gelenke, bevorzugt der Bandscheibe.
Als Injektionsvorrichtung eignet sich für den Kit jegliche Vorrichtung, welche von der Dimensionierung und Ausgestaltung beschaffen ist eine pharmazeutische Zusammensetzung in ein kollagenreiches Gewebe eines Gelenkes, bevorzugt einer Bandscheibe, zu injizieren. Die Injektionsvorrichtung wird mithin bevorzugt ein Reservoir für eine pharmazeutische Zusammensetzung und eine Injektionsspitze umfassen, welche geeignet ist in ein kollagenreiches Gewebe einzudringen. Bevorzugt kann beispielsweise eine Spritze mit einer Kanüle als Aufsatz zum Einsatz kommen.
Unter dem Bestrahlungsgerät wird bevorzugt eine Vorrichtung verstanden, welche in der Lage ist elektromagnetische Strahlung mit den beschriebenen bevorzugten Parametern zu emittieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bestrahlungsgerät ein UV-Bestrahlungsgerät.
Unter dem UV-Bestrahlungsgerät wird bevorzugt eine Vorrichtung verstanden, welche in der Lage ist UV-Strahlung bevorzugt im Bereich von 200 - 400 nm zu emittieren. Im Stand der Technik sind zu diesem Zwecke verschiedene Vorrichtungen bekannt. Beispielsweise können LEDs mit einer Abstrahlung im UV-Bereich verwandt In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bestrahlungsgerät ein Pulslaser zur Erzeugung von Lichtpulsen mit einer Wellenlänge von 700 nm oder mehr. Im Stand der Technik sind zu diesem Zwecke verschiedene Vorrichtungen bekannt. Beispielsweise können Ti:Sa
Femtosekunden-Laser ggf. mit einer zusätzlichen Amplifikation zur gewünschten Einstellung der Wiederholungsrate und/oder Pulsenergien verwandt werden (s.o.).
Eine gemäß dem Kit bereitgestellte Kombination aus einem Bestrahlungsgerät, einer Injektionsvorrichtung für ein kollagenreiches Gewebe eines Gelenkes sowie Riboflavin ist im Stand der Technik nicht bekannt, insbesondere nicht im Zusammenhang mit Anweisungen zur Durchführung einer in-situ Vernetzung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft Riboflavin oder eine pharmazeutische Zusammensetzung zur Verwendung als Medikament in der Behandlung von Erkrankungen unechter oder echter Gelenke, bevorzugt zur Behandlung von Bandscheibenerkrankungen.
Die„Verwendung eines Medikamentes zur Behandlung“ eines Subjekts oder Patienten, welcher an einer Erkrankung leidet, meint bevorzugt das Verlangsamen, Anhalten oder Umkehren des Fortschreitens der Erkrankung.
In der bevorzugten Ausführungsform meint die Verwendung eines Medikamentes zur
Behandlung eines Patienten, das Fortschreiten der Erkrankung umzukehren, idealerweise bis zu einem Punkt, an dem die Erkrankung selbst beseitigt wird.
Eine Verbesserung der Symptome der Erkrankung oder Beseitigung der Ursachen einer solchen Erkrankung kann gleichfalls unter den Begriff der Behandlung fallen. Die Behandlung kann sich auch alternativ auf eine prophylaktische Verabreichung der hierin beschriebenen Wirkstoffe beziehen. Solch eine prophylaktische Verabreichung kann sich auf die Vorbeugung einer medizinischen Erkrankung oder die Verhinderung der Entwicklung einer solchen Erkrankung beziehen, wobei die Begriffe Vorbeugung, Prävention und Prophylaxe nicht eng auszulegen sind. Vorbeugung, Prävention oder Prophylaxe kann sich auch auf eine Verringerung des Risikos beziehen, dass ein Subjekt oder ein Patient eine Erkrankung entwickelt, vorzugsweise in einem Subjekt oder Patienten, bei dem ein Risiko für diesen Zustand besteht.
„Riboflavin“ ist auch als Lactoflavin oder Vitamin B2 im Stand der Technik bekannt und wird nach IUPAC als 7,8-Dimethyl-10-(D-ribo-2,3,4,5-tetrahydroxypentyl)-3/-/, 10/-/-benzo[g]pteridin-2,4-bzw. nach WHO als 7,8-Dimethyl-10-(D-ribit-1-yl)-isoalloxazin chemisch bezeichnet. Weitere chemische Begriffe hierin werden in Übereinstimmung mit der konventionellen Verwendung auf dem Gebiet benutzt, wie von The Mc-Graw-Hill Dictionary of Chemical Terms (Parker, S., Hrsg., McGraw-Rill, San Francisco (1985)), erläutert, das hierin durch Referenz eingeschlossen ist.
Von dem Begriff Riboflavin sollen jedoch auch funktionale Äquivalente oder Analoga abgedeckt werden, welche weiterhin die gewünschte biologische Aktivität, d.h. die Katalyse zum
Crosslinking von Kollagengeweben bei UV-Bestrahlung, besitzen. Eine funktionale Äquivalenz liegt insbesondere dann vor, wenn bei ansonsten vergleichbaren Bedingungen, im Vergleich zu den in den Beispielen beschriebenen quantitativen Tests ein Vernetzungsgrad von Kollagengeweben von ca.10%, 20%, 30%, 40% oder 50%, bevorzugt 60%, 70%, 80% oder 90%, besonders bevorzugt 100%, 125%, 150%, ganz besonders bevorzugt 200%, 300% oder 400%, am meisten bevorzugt 500%, 600%, 700% oder 1000% erreicht wird..
Insbesondere sollen von dem Begriff Riboflavin somit auch Isomere oder Derivate der o.g.
chemischen Verbindung umfasst werden, solange diese funktionell äquivalent sind.
Eine wirksame Menge des zu verabreichenden Riboflavin oder der pharmazeutischen
Zusammensetzung umfassend das Riboflavin wird von dem zu behandelnden Zustand, der Schwere der Krankheit, den individuellen Parametern des Patienten, einschließlich Alter, physiologischem Zustand, Größe und Gewicht, der Dauer der Behandlung, der Art einer begleitenden Therapie (falls vorhanden), dem spezifischen Verabreichungsweg und ähnlichen Faktoren abhängen.
Die pharmazeutischen Zusammensetzungen umfassend Riboflavin sind vorzugsweise steril und enthalten eine wirksame Menge der therapeutisch wirksamen Substanz für die Erzeugung der gewünschten Reaktion oder der gewünschten Wirkung.
Die Dosen der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen, die verabreicht werden, können von verschiedenen Parametern wie der Verabreichungsart, dem Zustand des Patienten, dem gewünschten Verabreichungszeitraum, usw. abhängen. Für den Fall, dass eine Reaktion bei einem Patienten bei einer anfänglichen Dosis unzureichend ist, können höhere Dosen (oder effektiv höhere Dosen, die durch einen anderen, stärker lokalisierten Verabreichungsweg erzielt werden) eingesetzt werden.
Im Allgemeinen werden für eine Behandlung Erkrankungen echter oder unechter Gelenke, bevorzugt Bandscheibenerkrankungen Mengen des Riboflavin zwischen 0,1 ng bis 1000 mg, vorzugsweise 0, 1 ng bis 100 ng, 0,1 ng bis 10 ng, 0,1 ng bis 1 ng, 1 ng bis 1 mg, 1 ng bis 100 ng oder 1 ng bis 10 ng verabreicht.
Die pharmazeutischen Zusammensetzungen werden im Allgemeinen in pharmazeutisch verträglichen Mengen und in pharmazeutisch verträglichen Zusammensetzungen verabreicht.
Der Begriff "pharmazeutisch verträglich" betrifft bevorzugt ein nichttoxisches Material das nicht mit der Wirkung des aktiven Bestandteils der pharmazeutischen Zusammensetzung, bevorzugt dem Riboflavin, wechselwirkt.
Solche Zubereitungen können gewöhnlich Salze, Pufferstoffe, Konservierungsstoffe, Träger und gegebenenfalls andere therapeutische Wirkstoffe enthalten. Bei einer Verwendung in der Medizin sollten die Salze pharmazeutisch verträglich sein. Nicht-pharmazeutisch verträgliche Salze können jedoch für die Herstellung pharmazeutisch verträglicher Salze davon verwendet werden und sind umfasst.
Solche pharmakologisch und pharmazeutisch verträglichen Salze umfassen in nicht
begrenzender Weise diejenigen, die aus den nachstehenden Säuren hergestellt werden:
Chlorwasserstoff-, Bromwasserstoff-, Schwefel-, Salpeter-, Phosphor-, Malein-, Essig-, Salicyl-, Citronen-, Ameisen-, Malon-, Bernsteinsäure und ähnliches. Pharmazeutisch verträgliche Salze können auch als Alkalimetall-oder Erdalkalimetallsalze wie Natrium-, Kalium-oder Calciumsalze hergestellt werden.
Eine erfindungsgemäße pharmazeutische Zusammensetzung kann einen pharmazeutisch verträglichen Träger umfassen. Der Begriff "pharmazeutisch verträglicher Träger" betrifft bevorzugt einen oder mehrere kompatible feste oder flüssige Füllstoffe, Verdünnungsmittel oder andere Substanzen, die für eine Verabreichung an einen Menschen geeignet sind.
Der Begriff "Träger" betrifft bevorzugt einen organischen oder anorganischen Bestandteil, natürlicher oder synthetischer Natur, in dem der aktive Bestandteil, bevorzugt das Riboflavin, kombiniert wird, um eine Anwendung zu erleichtern. Die Bestandteile der pharmazeutischen Zusammensetzungen sind gewöhnlich derart, dass keine Interaktion auftritt, die die gewünschte pharmazeutische Wirksamkeit wesentlich beeinträchtigt.
Die pharmazeutischen Zusammensetzungen können geeignete Pufferstoffe wie Essigsäure in einem Salz, Citronensäure in einem Salz, Borsäure in einem Salz und Phosphorsäure in einem Salz enthalten.
Die pharmazeutischen Zusammensetzungen können auch gegebenenfalls geeignete
Konservierungsstoffe wie Benzalkoniumchlorid, Chlorbutanol, Parabene und Thimerosal enthalten.
Die pharmazeutischen Zusammensetzungen werden gewöhnlich in einer einheitlichen Dosisform dargeboten und können in an sich bekannter Weise hergestellt werden.
Bevorzugte pharmazeutisch verträgliche Träger umfassen wässrige oder nicht-wässrige Lösungen, Suspensionen und Emulsionen, am meisten bevorzugt wässrige Lösungen. Wässrige Träger umfassen Wasser, alkoholische oder wässrige Lösungen, Emulsionen und
Suspensionen, einschließlich Salzlösung und gepufferte Medien. Wässrigen Lösungen schließen insbesondere Natriumchloridlösungen, Ringer-Dextrose, Dextrose und Natriumchlorid, Ringer- Lactat und feste Öle ein. Konservierungsmittel und andere Additive können ebenfalls vorhanden sein, wie beispielsweise antimikrobielle Mittel, Antioxidantien, Chelatbildner, Inertgase und dergleichen.
Eine lokale Verabreichung meint, dass bevorzugt das Riboflavin oder der pharmazeutischen Verabreichung in das kol lagen reiche Gewebe in einem räumlich begrenzbaren Volumen erfolgt. Bevorzugte lokale Verabreichungen umfassen einer Injektion bzw. Instillation in oder auf das betreffende Gewebe. Die lokale Verabreichung kann jedoch auch in der Nähe von dem betreffenden Gewebe verabreicht werden.
Eine lokale Verabreichung in der Nähe des betreffenden Gewebes umfasst beispielsweise eine lokale Verabreichung innerhalb von 50 mm, 20 mm, 10 mm, 5 mm, innerhalb von 1 mm des Gewebes, innerhalb von 0,5 mm des Gewebes und innerhalb von 0,25 mm des Gewebes.
Die lokale Verabreichung von Riboflavin oder der pharmazeutischen Zusammensetzung erlaubt es, den therapeutischen Index zu verbessern, wobei eine ggf. generelle Toxizität und die Risiken systemischer Wirkungen insgesamt vermindert werden. Unter dem Begriff„Erkrankung echter oder unechter Gelenke“, wird jede Störung der physiologischen Funktion der betreffenden anatomischen Strukturen verstanden. Bevorzugt wird eine Erkrankung verstanden, welcher auf eine Störung der biomechanischen Stabilität eines kollagenreichen Gewebes im Gelenk basiert. Im gesunden Zustand stabilisieren kollagenreiche Gewebe verschiedene echte oder unechte Gelenke und stützen somit die verbundenen
Skelettstrukturen oder gewährleisten deren Beweglichkeit.
Durch Verschleiß oder Altersprozessen können die kollagenreichen Bindegewebe ihre biomechanische Eigenschaften einbüßen. Hierdurch treten Erkrankungen auf, welche mittels der erfindungsgemäßen Verabreichung des Riboflavin behandelbar sind.
Zu derlei Erkrankungen gehören insbesondere Erkrankungen echter Gelenke, insbesondere von Gelenkkapseln beispielsweise von Knie, Ellbogen oder Schultergelenken, Deformationen der Wirbelsäule, wie Spondylolisthesis oder Skoliosis oder Bandscheibenerkrankungen.
Unter einem kollagenreichen Gewebe wird bevorzugt jedes endogene Gewebe des
menschlichen Körpers verstanden, welches im natürlichen Zustand Kollagenfasern aufweist. Besonders bevorzugt sind Bindegewebe.
Kollagen ist ein nur bei vielzelligen Tieren (einschließlich des Menschen) vorkommendes
Strukturprotein, welches hauptsächlich in Bindegeweben insbesondere in der extrazellulären Matrix zwischen den Zellen auftritt. Kollagen findet sich unter anderem in den weißen, unelastischen Fasern von Sehnen, Bändern, Knochen und Knorpeln und stabilisiert echte wie unechte Gelenke.
Die zugfesten, aber kaum dehnbaren kollagenen Fasern sind 1 bis 10 Mikrometer dick. Im Elektronenmikroskop oder im Fluoreszenzmikroskop sind Kollagenfasern an einer Querstreifung zu erkennen, die durch die überlappende Anordnung der Kollagenmoleküle bei der Synthese von Kollagenfibrillen zustande kommt.
In den Bindegeweben finden sich eine Vielzahl verschiedener Kollagentypen. Insgesamt sind 28 Kollagentypen (Typ I bis XXVIII) bekannt, welche in unterschiedlicher Form in den
kollagenreichen Geweben auftreten können. Bevorzugt handelt es sich jedoch um die
Kollagentypen I bis IV.
Ein kollagenreiches Gewebe, welches besonders bevorzugt behandelbar ist, ist die Bandscheibe, welche insbesondere den Nucleus pulposus und Anulus fibrosis umfasst.
Bandscheibenerkrankungen sollen jeglichen medizinischen Zustand umfassen, welcher eine Störung der physiologischen Funktion der Bandscheibe betrifft. Hierzu gehören in nicht abschließender Weise ein Bandscheibenprolaps, eine Bandscheibenprotrusion oder ein
Bandscheibenvorfall.
FIGUREN UND BEISPIELE
Im Folgenden soll die Erfindung an Hand von Figuren und Beispielen näher erläutert werden, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Kurzbeschreibunq der Figuren Fig. 1 Molekulare Mechanismen für das Crosslinking von Kollagenmolekülen durch
Riboflavin
Fig. 2 Verabreichung von Riboflavin auf die menschliche Augenhornhaut zur
Behandlung von Keratokonus
Fig. 3 Kollagenfasern vor (links) und nach (rechts) einem Crosslinking mittels Riboflavin
Fig. 4 Schematische Darstellung des anatomischen Aufbaus einer Bandscheibe
Fig. 5 Bevorzugte Verabreichung von Riboflavin zur Behandlung einer
Bandscheibenerkrankung
Fig. 6 Bandscheibe eines Rindes, wobei der Anulus fibrosus (AF), der Nucleus pulposus
(NP) und eine Übergangszone (Rechteck) zwischen AF und NP gekennzeichnet wurde
Fig. 7 Proben der Übergangszone zwischen AF und NP einer Bandscheibe, wie gezeigt in Fig. 6, welche mittels eines Kryomikrotom auf 0,6 mm dünne Schichten geschnitten wurden.
Fig. 8 UV-Bestrahlung nach Zugabe von Riboflavin
Fig. 9 Aufnahme der Autofluoreszenz einer Übergangszone zwischen AF und NP in einer menschlichen Bandscheibe vor a) und nach b) der Behandlung mit Riboflavin und UV-Licht
Fig. 10 Aufnahme der Autofluoreszenz der Übergangszone zwischen AF und NP in einer menschlichen Bandscheibe vor a) und nach b) der Behandlung mit Riboflavin und UV-Licht
Fig. 1 1 Entfernung paravertebraler Strukturen von Rinderschwänze zwei Stunden nach deren Schlachtung
Fig. 12 Isolation von am Wirbelkörper befestigter Rinder-Bandscheiben
Fig. 13 Fixierung der Wirbelkörper im Knochenzement (PMMA)
Fig. 14 Detektion der Oberfläche der Rinderscheiben mittels des Biomomentum Mach-1
Fig. 15 Ergebnisse für die prozentuale Versteifung der mit UV-Bestrahlung behandelten
Rinder-Bandscheiben im Vergleich zu den Kontrollen.
Detaillierte Beschreibung der Figuren
Fig. 1 zeigt vorgeschlagene Mechanismen, mit denen Riboflavin eine Vernetzung von
Kollagenmolekülen nach einer UV-Bestrahlung induzieren kann. Der Reaktionsweg (a) ist sauerstoffabhängig, wodurch Imidazolon (Verbindung 1 ) erzeugt wird. Dieses kurzlebige Intermediat kann mit einem nicht verkappten Nucleophil (Nu) reagieren. Der Reaktionsweg (b) betrifft endogene Carbonylgruppen (Allysine) als Nucleophile in einem Sauerstoff-Singulett- abhängigen Nebenweg. Der Reaktionsweg (c) deutet darauf hin, dass bei Anregung des Riboflavin ein Selbstaktivierungsprodukt von 2,3-Butandion-Riboflavin (Verbindung 2) gebildet werden könnte, das einen zusätzlichen Sauerstoff-Singulett -abhängigen Signalweg liefert, der stark mit endogenen Carbonylgruppen reagiert (vgl. McCall et al. 2010).
Fig. 2 zeigt ein Standardprotokoll zur Verabreichung von Riboflavin auf die menschliche
Augenhornhaut zur Behandlung von Keratokonus. Hierbei werden Tropfen einer Riboflavin- Lösung für einige Minuten auf die keratokonische Augenhornhaut gegeben, sodass das
Riboflavin in die darunterliegenden Gewebsschichten eindringen kann. Anschließend wird die Augenhornhaut mit UV-Licht der Wellenlänge 360 - 370 nm bei einer Intensität von 9 mW/cm2 für 10 Minuten bestrahlt.
Fig. 3 illustriert schematisch die Kollagenfasern vor der Vernetzung (links) und nach der
Vernetzung (rechts).
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung des anatomischen Aufbaus einer Bandscheibe. Die Bandscheibe befindet sich zwischen den Wirbelkörpern in der Wirbelsäule und dient dazu,
Lasten zu tragen, Flexibilität zu gewährleisten und mechanische Energie in der Wirbelsäule abzuleiten. Die Bandscheibe besteht aus verschiedenen anatomischen Zonen: dem Anulus fibrosus (AF), dem Nucleus pulposus (NP) und den Knorpelendplatten. Der Anulus fibrosus (AF) besteht aus konzentrischen Lamellen mit stark ausgerichteten Kollagenfasern, wobei die Zellen typischerweise entlang der Faserrichtung ausgerichtet sind. Der Nucleus pulposus ist ein gelatinöses, stark hydratisiertes Gewebe, wobei Zellen typischerweise abgerundete, nicht ausgerichtete Morphologien aufweisen. Bilder der spezifischen Zellmorphologie in jeder Region können durch Lichtmikroskopie erhalten werden.
Fig. 5 illustriert eine bevorzugte Verabreichung von Riboflavin zur Behandlung einer
Bandscheibenerkrankung. Die Injektion des Riboflavin erfolgt in-situ in den Anulus fibrosus und/oder den Nucleus pulposus, besonders bevorzugt nacheinander in beide Gewebe. Die Dosis der Injektion wird derart angepasst, dass eine maximale Wirkung (Vernetzung) bei minimaler Toxizität erreicht wird. Nach der Injektion folgt eine Pause, sodass sich das Riboflavin auf Basis osmotischer Diffusion in den kollagenreichen Geweben verteilen kann. Im Anschluss erfolgt eine UV-Bestrahlung, um die Vernetzungsreaktion zwischen den Kollagenfaser zu katalysieren.
Die folgenden Experimente und Beispiele zeigen, dass Riboflavin zur Vernetzung von kollagenreichen Geweben in echten oder unechten Gelenken, insbesondere in Bandscheiben, verwandt werden kann, um deren biomechanische Stabilität zu erhöhen.
Für die Experimente wurden fünf frisch gefrorene Bandscheiben eines Rindes und zwei frisch gefrorene menschliche Bandscheiben aus der Anatomie der Universität Freiburg verwendet (vgl. Fig. 6).
Die Bandscheiben wurden mittels eines Kryomikrotom in 0,6 mm dicken Scheiben dünn geschnitten und auf Glasplatten gebracht (vgl. Fig. 7). Die dünnen Scheiben entspringen der Übergangszone zwischen Anulus Fibrosus und Nucleus pulposus, welche in Fig. 6 durch ein Rechteck angedeutet wird. Für die Experimente wurden insgesamt 10 Rinder- und 10 menschliche Proben hergestellt und untersucht.
Vor einer Behandlung mit Riboflavin wurden die Proben durch Autofluoreszenzmikroskopie zur Visualisierung der Kollagenfasern abgebildet. Die Architektur, Orientierung und
Vernetzungsdichte der Kollagenfasern in den Proben vor einer Behandlung sind in den Fig. 9 a) und 10 a) gezeigt.
Zur Vernetzung der Kollagenfasern wurden 0,1 ml einer Riboflavin-Lösung mit einer
Konzentration von 0,25 % zweimal mit einem Zeitintervall von 30 Sekunden verabreicht. Im Anschluss wurde die Probe mit UV-Licht bestrahlt.
Eine UV-Strahlungsquelle mit einer durchschnittlichen Wellenlänge von 370 nm (365-375 nm) wurde zur Bestrahlung der Proben verwendet. Die effektive Flächendichte der Intensität an der Probenoberfläche wurde mit 9 mW/cm2 kalibriert und die Bestrahlung dauert zwei Minuten (vgl. Fig. 8).
Nach der Behandlung wurde erfolgt eine erneute Bildgebung der Kollagenfasern mittels
Autofluoreszenzmikroskopie, um den identischen Probenbereich zu visualisieren. Hierdurch können Veränderungen der Vernetzungsdichte der Kollagenfasern nachgewiesen werden.
Bei allen 20 verwandten Proben zeigte eine Behandlung mit dem beschriebenen Protokoll eine visuell evidente Erhöhung der Vernetzungsdichte in der Übergangszone zwischen dem Anulus Fibrosus und dem Nucleus Pulposus.
Die stärkere Verbindung zwischen beiden Geweben führt bei einer in-situ Applikation zur verbesserten Gesamtstabilisierung der Bandscheibe.
Die vorbeschriebenen Experimente verifizieren die Vorteile der therapeutischen Verwendung von Riboflavin insbesondere anhand von dünnen Kryoschnitten von bovinen und menschlichen Bandscheibenproben unter direkter mikroskopischer Visualisierung.
Die folgenden Experimente zeigen die vorteilhaften biomechanischen Effekte der
therapeutischen Verwendung von Riboflavin für frische gesunden Rinderbandscheiben (bovine intervertebrale Diks (bIVD).)
Für die Charakterisierung wurde das Youngsche Modul bzw. Elastizitätsmoduls (Akhtar et. al 201 1 ) auf einem etablierten Gerät (Biomomentum Mach-1 Biomomentum Inc.; Sim et al. 2014) lokal bestimmt.
Frische Rinderschwänze wurden innerhalb von 2 Stunden nach der Schlachtung aus dem örtlichen Fleischverarbeitungsbetrieb bereitgestellt. Die paravertebrale Struktur wurde entfernt (Fig. 1 1 ).
Rinder-Bandscheiben (IVDs), welche am Wirbelkörper befestigt sind, wurden isoliert (Fig. 12).
Um die Proben auf dem Gerät zu stabilisieren, wurden die bovinen Wirbelkörper mit angebrachter Bandscheibe in PMMA- Knochenzement fixiert (Fig. 13). Mit Hilfe der Kamera des Biomomentum-Gerätes wurde die Oberfläche der Rinderbandscheiben in Bezug auf deren biomechanische Eigenschaften (Youngscher Modul) ausgemessen (Fig. 14).
Um vergleichbare Ergebnisse zu erzielen, wurden die Proben in einer dunklen Umgebung behandelt, sodass eine Aktivierung von Riboflavin durch natürliche Lichtquellen ausgeschlossen werden kann. Eine Lösung mit 8 mM Riboflavin (Riboflavin 5 -phosphate sodium salt hydrate, Sigmaaldrich) in PBS (Phosphatgepufferte Kochsalzlösung) und PH: 7.4 Wasser (Thermofisher) wurde verwandt, um die exponierte Oberfläche der Rinderbandscheiben für 15 Minuten
(Dunkelmodus) zu tränken. Unmittelbar im Anschluss wurden die Proben in das Biomoment- Gerät zur Analyse gegeben (Dunkelmodus).
Nach der Analyse wurde die gleiche Probe mit 365nm UVA-Licht (Opsytech Dr. Gröbel- UV LED Serie L) homogen mit 3,5 mW/cm2 für 15 Minuten bestrahlt. Es folgte eine zweite Analyse der zuvor ausgemessenen Positionen.
Insgesamt wurden 38 Messungen an 15 gesunden Rinderbandscheiben durchgeführt. In allen Proben wurde eine Versteifung bzw. Verstärkung der elastischen Eigenschaften (Youngscher Modul) beobachtet.
Die Ergebnisse für die einzelnen Proben sind als prozentuale Versteifung in Fig. 15
zusammengefasst.
Die prozentuale Versteifung entspricht der prozentualen Zunahme des Youngschen Modul nach der UV-Bestrahlung im Vergleich zum gemessenen Wert vor der UV-Bestrahlung.
Die minimale Versteifung bzw. Verstärkung beträgt 52%, während die maximale Versteifung 348% beträgt. Die Variabilität kann teilweise auf eine inhomogene Resorption von Riboflavin im Gewebe aufgrund der anisotropen Verteilung von Proteoglykan in den Rinderbandscheiben zurückgeführt werden.
In jedem Fall zeigen auch diese Daten, dass durch eine Erhöhung der Vernetzungsdichte in den Geweben eine in-situ Applikation des Riboflavin mit anschließender Bestrahlung zur verbesserten Gesamtstabilisierung der Bandscheiben führen kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass verschiedene Alternativen zu den beschriebenen
Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können, um die Erfindung auszuführen und zu der erfindungsgemäßen Lösung zu gelangen. Das erfindungsgemäße Riboflavin oder die erfindungsgemäße pharmazeutische Zusammensetzung zur Behandlung einer Erkrankung unechter oder echter Gelenke, vorzugsweise einer Bandscheibenerkrankung, sowie das
Verfahren und der Kit beschränken sich in ihren Ausführungen somit nicht auf die vorstehenden bevorzugten Ausführungsformen. Vielmehr ist eine Vielzahl von Ausgestaltungsvarianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung abweichen können. Ziel der Ansprüche ist es, den Schutzumfang der Erfindung zu definieren.
Der Schutzumfang der Ansprüche ist darauf gerichtet, das erfindungsgemäße Riboflavin oder die pharmazeutische Zusammensetzung zur Behandlung einer Erkrankung unechter oder echter Gelenke, vorzugsweise einer Bandscheibenerkrankung, das Verfahren, den Kit sowie äquivalente Ausführungsformen von diesen abzudecken. LITERATURVERZEICHNIS
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Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Riboflavin zur Verwendung als Medikament in der Behandlung eines Patienten mit einer Erkrankung eines echten oder unechten Gelenkes
dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung in-situ im Patienten erfolgt und eine lokale Verabreichung von Riboflavin in ein kollagenreiches Gewebe des Gelenkes sowie eine anschließende -Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung umfasst.
2. Riboflavin zur Verwendung als Medikament
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bestrahlung eine UV-Bestrahlung ist.
3. Riboflavin zur Verwendung als Medikament
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bestrahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 700 nm erfolgt, wobei bevorzugt eine gepulste Strahlung erfolgt, sodass eine durch Riboflavin vermittelte Vernetzungsreaktion durch nicht-lineare optische Effekte bewirkt wird.
4. Riboflavin zur Verwendung als Medikament gemäß dem vorherigen Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erkrankung eine Bandscheibenerkrankung ist und die lokale Verabreichung von Riboflavin und anschließende Bestrahlung an der Stelle der Erkrankung der Bandscheibe erfolgt.
5. Riboflavin zur Verwendung als Medikament gemäß dem vorherigen Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass
die lokale Verabreichung eine Injektion des Riboflavin, bevorzugt in den Anulus fibrosus und/oder den Nucleus pulposus, umfasst, wobei es besonders bevorzugt ist, dass die lokale Verabreichung jeweils eine Injektion des Riboflavin in den Anulus fibrosus und in den Nucleus pulposus umfasst.
6. Riboflavin zur Verwendung als Medikament gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die UV-Bestrahlung mit einer Wellenlänge zwischen 200 und 400 nm, bevorzugt zwischen 320 und 380 nm und/oder einer Strahlungsintensität von 0,1 mW bis 500 mW, bevorzugt 0,2 bis 50 mW, erfolgt.
7. Riboflavin zur Verwendung als Medikament gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Bestrahlung mit Pulsen einer von Wellenlänge mehr als 700 nm mit einer Pulsdauer im Bereich von Nanosekunden oder Femtosekunden erfolgt.
8. Riboflavin zur Verwendung als Medikament gemäß dem vorherigen Anspruch
dadurch gekennzeichnet, dass
die Pulsdauer im Bereich von 10 fs bis 500 fs, bevorzugt 50 fs bis 250 fs, liegt und/oder die Bestrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 700 nm bis 820 nm, bevorzugt 740 nm bis 780 nm, erfolgt.
9. Riboflavin zur Verwendung als Medikament einem der vorherigen Ansprüche 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass
die Wiederholungsrate der Pulse 1 kHz bis 1000 kHz, bevorzugt 1 kHz bis 100 kHz, besonders bevorzugt 1 kHz bis 50 kHz beträgt und/oder die Energie pro Puls 100 nJ bis 50 pJ (Joule), bevorzugt 0,5 pJ bis 5 pJ beträgt.
10. Riboflavin zur Verwendung als Medikament einem der vorherigen Ansprüche 7 -9
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bestrahlung mit einer Strahlungsintensität im Bereich von 0,1 mW bis 1000 mW, bevorzugt 0,2 bis 100 mW, besonders bevorzugt 1 mW bis 50 mW, erfolgt.
1 1 . Riboflavin zur Verwendung als Medikament gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Bestrahlung nach einer Zeitspanne von 10 sec bis 30 min, bevorzugt 30 sec bis 20 min, im Anschluss an die lokale Verabreichung des Riboflavins begonnen wird und für einen Zeitraum von 10 sec bis 30 min, bevorzugt 30 sec bis 10 min erfolgt.
12. Pharmazeutische Zusammensetzung zur Verwendung als Medikament in der Behandlung einer Erkrankung eines echten oder unechten Gelenkes umfassend
a) Riboflavin gemäß einem der vorherigen Ansprüche und
b) einen pharmazeutischen Träger
13. Pharmazeutische Zusammensetzung zur Verwendung als Medikament gemäß dem
vorherigen Anspruch
dadurch gekennzeichnet, dass
der pharmazeutische Träger eine hypoosmolare Lösung ist.
14. Pharmazeutische Zusammensetzung zur Verwendung als Medikament gemäß einem der vorherigen Ansprüche 12 oder 13
dadurch gekennzeichnet, dass
Riboflavin in der pharmazeutischen Zusammensetzung in einer Konzentration von 0,01 Gew.-% bis 5 Gew.-% vorliegt.
15. Verfahren zur Behandlung eines Patienten mit Erkrankung eines echten oder unechten Gelenkes umfassend die Schritte
- Bereitstellung von Riboflavin gemäß einem der Ansprüche 1-1 1 oder einer
pharmazeutischen Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 12-14
- lokale Verabreichung von Riboflavin in ein kollagenreiches Gewebe des Gelenkes
- Bestrahlung des kollagenreichen Gewebes.
16. Kit zur Behandlung eines Patienten mit einer Erkrankung eines echten oder unechten Gelenkes umfassend - Riboflavin gemäß einem der Ansprüche 1-1 1 oder eine pharmazeutischen Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 12-14
- eine Injektionsvorrichtung geeignet für eine Injektion in ein kollagenreiches Gewebe des Gelenkes.
- ein Bestrahlungsgerät
und optional Anweisungen zur Behandlung eines Patienten in-situ durch eine lokale Verabreichung von Riboflavin in ein kollagenreiches Gewebe des Gelenkes sowie eine anschließende Bestrahlung.
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