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Nanopartikel in der Medizin

Synthetische Nanopartikel werden nicht nur für neue Technologien und Produkte eingesetzt. Auch in der Medizin stellet die Nanotechnologie ein vielversprechendes Vehikel dar, um biologische Barrieren wie die Luft-Blut- oder die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden.

Auch als Transportmittel könnten Nanopartikel in der Medizin wertvolle Dienste leisten. So zum Beispiel für gezielte Therapieformen, um Wirkstoffe nur in bestimmte Zellen einzubringen.

Wissenschaftliche Beratung:
Dr. Tobias Stöger, Helmholtz Munich, Institut für Lungenbiologie

Synthetische Nanopartikel werden nicht nur für neue Technologien und Produkte eingesetzt. Auch in der Medizin stellet die Nanotechnologie ein vielversprechendes Vehikel dar, um biologische Barrieren wie die Luft-Blut- oder die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden.

Auch als Transportmittel könnten Nanopartikel in der Medizin wertvolle Dienste leisten. So zum Beispiel für gezielte Therapieformen, um Wirkstoffe nur in bestimmte Zellen einzubringen.

Wissenschaftliche Beratung:
Dr. Tobias Stöger, Helmholtz Munich, Institut für Lungenbiologie

Nanotechnologie und Medizin

Je nach ihren spezifischen Eigenschaften finden Nanopartikel für therapeutische und auch diagnostische Ziele Verwendung.

Hier ist gerade der Einsatz von Goldnanopartikeln interessant: Gold weist nicht nur eine gute Verträglichkeit mit menschlichem Gewebe auf, wegen seiner Oberflächenchemie lassen sich an Gold auch sehr gut organische Verbindungen – also beispielsweise Wirkstoffe - binden. Zudem eignet sich Gold auch für moderne bildgebende Verfahren. 

Nanopartikel für die Diagnostik

Die Krebsmedizin gilt als einer der wichtigsten Bereiche für mögliche Anwendungen der Nanomedizin: Die geringe Größe der Teilchen und ihre außerordentlich hohe Reaktivität könnten helfen, Tumorleiden zu diagnostizieren und sie sehr effektiv zu behandeln.

Der Auslöser des unkontrollierten Zellwachstums bei Krebs sind Fehler in den Genen, also Abschnitte in unserem nur wenige Nanometer breiten, aber bis zu 5 Zentimeter langen Erbmolekül, der DNA. Gendefekte wiederum wirken sich auf andere biologische Nanostrukturen aus, die Proteine. Diese sind als wichtigste Funktionsträger der Zelle essenziell für eine Reihe von molekularen Prozessen – die ebenfalls meist im Nanoformat ablaufen.

Ob nun bei einem Krebsleiden auf genetischer, auf zellulärer oder auf Ebene der Proteine behandelt werden soll: Nanomaterialien scheinen die geeignete Wahl.

Halbleiter-Nanopartikel etwa, sogenannte Quantum Dots, zeigen abhängig von ihrer Größe optische Eigenschaften. Sie fluoreszieren sehr ausdauernd und könnten unter anderem als Kontrastmittel für bildgebende diagnostische Verfahren zum Einsatz kommen. Entsprechend modifiziert binden sie dann unter anderem an Krebszellen und bringen diese zum Leuchten. Dem Arzt/der Ärztin liefern sie damit bislang unerreicht scharfe Bilder für die Diagnose, und das ohne den Einsatz belastender radioaktiver Kontrastmittel. Sie ermöglichen bei einem chirurgischen Eingriff aber auch die präzise Entfernung des Tumorgewebes, während das umliegende Gewebe weitgehend geschont wird.

Quantum Dots eignen sich auch für den Nachweis von DNA und Proteinen.

Grundsätzlich sind viele Nanosensoren sensitiver, selektiver und leistungsfähiger als konventionelle analytische Systeme. Sie sind fähig, einzelne Moleküle in lebenden Zellen nachzuweisen. Dies gilt nicht nur für genetisch beeinflusste Erkrankungen wie Krebs, sondern etwa auch für Infektionen.

Nanopartikel als Transportfähren für Medikamente

In der Forschung werden auch die Eigenschaften von Nanopartikeln untersucht, die ihre Aufnahme und Verteilung im Organismus steuern oder zumindest beeinflussen.

Dabei werden zwei Richtungen eingeschlagen, die sich sinnvoll ergänzen:

Einerseits sollen Risiken eingeschätzt werden, die beim Einatmen von synthetischen Nanopartikeln – etwa aus der industriellen Produktion – entstehen können, damit gegebenenfalls entsprechende Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden. Andererseits dienen die Erkenntnisse auch der Entwicklung von Trägersubstanzen für inhalierbare Medikamente.

Ziel ist es, neue Therapien für verschiedene Erkrankungen der Atemwege und der Lunge wie AsthmaCOPD (chronisch obstruktive Lungenerkrankung) oder Lungenentzündung zu entwickeln.

Formen und Eigenschaften der Nanofähren

Variantenreiche, ausgeklügelte Polymere, also Ketten gleicher Moleküle, die zu körperverträglichen kleineren Molekülen abgebaut werden können, können als Medikamentenfähren genutzt werden. Wirkstoffe werden in diesen Nanofähren eingeschlossen und im Körper, idealerweise direkt in den Zielzellen wieder freigesetzt. 

Es könnte jedoch sein, dass die Fähren wegen ihrer geringen Größe eine Eigendynamik entwickeln. Deshalb beobachten Forschende genau, was mit den Vehikeln geschieht, wenn sie sich in der Lunge abgelagert und ihre Medikamentenfracht abgeladen haben.

Neben Größe, Form und Oberflächenstruktur der sogenannten Nanocarrier ist auch die Geschwindigkeit, mit der das Medikament im Körper freigesetzt wird, ausschlaggebend. Inzwischen fanden Forschende zum Beispiel heraus, dass ein Konstrukt aus Polymerkern und anhaftendem Medikament, ummantelt von einer Polymerhülle, eine zu rasche Freisetzung verhindert.

Eine andere, vielversprechende Form von Nanopartikeln sind Nanoröhrchen. Die Hoffnung ist, dass diese, mit Medikamenten gefüllt und einem Deckel verschlossen, über einen biochemischen Steuerungsmechanismus in Zukunft gezielt zum gewünschten Zeitpunkt geöffnet werden.

Noch bleiben hier jedoch viele offene Fragen - Was passiert mit biologisch nicht abbaubaren Bestandteilen der Nanotransporter? Wo reichern sie sich an und was bewirken sie dort? Bis zu welchem Grad gelangen Nanotransportpartikel, die ursprünglich für die Therapie vorgesehen waren, in den Blutkreislauf?

Zukunft der Nanomedizin

In Bezug auf mögliche Anwendungen von NanoTechnologien in der Medizin sind der Fantasie kaum Grenzen gesetzt.

Targeted Delivery - Gezielter Transport

So könnten die Nanopartikel-Transporter neben Medikamenten auch Gene transportieren. Denn noch immer fehlt es der Gentherapie, bei der defekte Gene durch gesunde Kopien ersetzt werden, vor allem an den möglichen Transportern. Bislang wurden in erster Linie Viren als Transportfähren herangezogen, die aber auch in entschärftem Zustand unerwünschte Reaktionen im Körper auslösen können. Synthetische Nanovehikel würden dagegen maßgeschneidert produziert und könnten im günstigsten Fall ihre Fracht gezielt und ohne Nebenwirkungen zum Krankheitsherd bringen.

Diese sogenannte „Targeted Delivery“, also wörtlich „gezielte Lieferung“ der Wirkstoffe, können die Partikel aber nur leisten, wenn sie über eine Art Suchsystem verfügen, das die Zielstrukturen erkennt. Entsprechende Moleküle an der Oberfläche der Nanovehikel können dies möglich machen. In der Krebstherapie könnten die Nanotransporter dann gezielt Tumoren ansteuern, um von den Krebszellen aufgenommen zu werden. Der Vorteil: Die Nanoteilchen, die auch Krebsmedikamente tragen könnten, müssten nicht mehr minimal-invasiv in die Nähe des Tumors gebracht werden. Eine einfache Infusion in den Blutstrom würde dann genügen und die Partikel fänden ihren Einsatzort von selbst.

Controlled Release - Kontrollierte Freisetzung

Darüber hinaus versuchen Forschende auch Nanotransporter für einen „Controlled Release“ zu entwickeln. Diese Partikel sollen ihre Fracht zu einem bestimmten Zeitpunkt oder über eine längere Zeitspanne hinweg freigeben. Dies lässt sich etwa über die Stabilität von Teilchen steuern, die etwa mit Verzögerung oder nur in einem bestimmten Milieu abgebaut werden. So könnte sich ein großer Traum der Pharmazie erfüllen: Wirkstoffe, die nur am gewünschten Ort und zur gewünschten Zeit einen Effekt zeigen. Da ist zumindest gedanklich der Weg nicht mehr weit zu den Nanorobotern, die nach den Vorstellungen einiger visionärer Forscher künftig in unserem Blutstrom zirkulieren sollen. Sie wären klein genug, um bis in kleinste Gefäße einzudringen und eine Vielzahl von Aufgaben im Körper zu erledigen: Krebszellen oder Krankheitserreger aufspüren und vernichten, als Minimüllabfuhr Ablagerungen beseitigen oder aber zelluläre Defekte reparieren. Noch kann niemand sagen, ob ein derartiges Projekt je Wirklichkeit werden kann – und soll.

Ohne Zweifel aber wird die Nanomedizin nach und nach Einzug in alle medizinischen Bereiche von der Prävention bis zur Diagnose und Therapie halten. Ein Anfang ist bereits gemacht.

Quellen

  • Bundesministerium für Bildung und Forschung: Aktionsplan Nanotechnologie 2020. 
  • Bundesministerium für Bildung und Forschung: Nanomaterialien im Alltag. (PDF) (2019) 
  • Bhaskar, S. et al.: Multifunctional Nanocarriers for diagnostics, drug delivery and targeted treatment across blood-brain barrier: perspectives on tracking and neuroimaging. In: Part Fibre Toxicol. 2010, 3;7:3: 1743-8977-7-3.
  • Geiser et al.: Cellular uptake and localization of inhaled gold nanoparticles in lungs of mice with chronic obstructive pulmonary disease. In: Part Fibre Toxicol. 2013, 10:19
  • Beyerle, A. et al.: Toxicity of Polymeric-Based Non-Viral Vector Systems for Pulmonary siRNA Application. In: Non-Viral Gen Therapy. - InTech www.intechopen.com, ISBN 978-953-307-538-9
  • Conde, J. et al.: In vivo tumor targeting via nanoparticle-mediated therapeutic siRNA coupled to inflammatory response in lung cancer mouse models. In: Biomaterials. 2013 34(31):7744-53.
  • Tian, F. et al.: Pulmonary DWCNT exposure causes sustained local and low-level systemic inflammatory changes in mice. In: Eur J Pharm Biopharm. 2013 Jun;84(2):412-20

Letzte Aktualisierung: 25.11.2021