Nanopartikel in der Medizin

nano-Medikamentenfähre
Quelle: Guillermo/fotolia

Synthetische Nanopartikel werden nicht nur für neue Technologien und Produkte eingesetzt. Auch in der Medizin stellen sie ein vielversprechendes Vehikel dar, um biologische Barrieren wie die Luft-Blut-, oder die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden. Auch als Transportmittel könnten sie für gezielte Therapieformen in der Medizin wertvolle Dienste leisten, um Wirkstoffe nur in bestimmte Zellen einzubringen.

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 binden. Zudem eignet sich Gold auch für moderne bildgebende Verfahren. So wird am Helmholtz Zentrum München intensiv an der Etablierung von sogenannten multifunktionalen Gold-Nanopartikeln geforscht, die sowohl für therapeutische Anwendungen als auch etwa für die frühe Diagnose z.B. von Lungenkrebs eingesetzt werden können.

Nanopartikel für die Diagnostik

Die Onkologie 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 therapieren.

Der Auslöser des unkontrollierten Zellwachstums bei Krebs sind Fehler in den Genen, also Abschnitte in unserem nur wenige Nanometer breiten Erbmolekül, der DNA. Gendefekte wiederum wirken sich aus auf andere biologische Nanostrukturen, 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 Tumorleiden 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 liefern sie damit bislang unerreicht scharfe Bilder für die Diagnose. Sie ermöglichen bei einem chirurgischen Eingriff aber auch die präzise Entfernung der Tumormassen, während das umliegende Gewebe weitgehend geschont wird.

Diese Quantum Dots eignen sich zudem 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

Wissenschaftler untersuchen die Eigenschaften von Nanopartikeln, die ihre Aufnahme und Verteilung im Organismus steuern oder zumindest beeinflussen. Sie schlagen dabei zwei Richtungen ein, die sich sinnvoll ergänzen: Einerseits wollen sie Risiken einschätzen, die beim Einatmen von synthetischen Nanopartikeln – etwa aus der industriellen Produktion – entstehen können, damit ggf. entsprechende Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden. Andererseits dienen ihre Erkenntnisse der Entwicklung von Trägersubstanzen für inhalierbare Medikamente.

Ziel ist es, neue Therapien für verschiedene Erkrankungen der Atemwege und der Lunge wie Asthma, COPD (chronic obstructive pulmonary disease) oder Lungenentzündung zu entwickeln. Dafür haben Wissenschaftler von der Universität Marburg und vom Helmholtz Zentrum München ein In Vitro-Screening-System etabliert, mit dem sie die Toxizität von Nanoträgersubstanzen in der Lunge abschätzen. Den bisherigen Ergebnissen im Zellexperiment zufolge rufen einige der Nano-Substanzen in der Lunge deutliche Entzündungsreaktionen hervor und scheinen daher für die Anwendung in der Lunge nicht geeignet zu sein. Nun suchen die Wissenschaftler nach weiteren Einsatzmöglichkeiten zum Beispiel in der Gentherapie von Lungenkrebs und anderen Krebsformen.

Formen und Eigenschaften der Nanofähren

Variantenreiche, ausgeklügelte Polymere, also Ketten gleicher Moleküle, die zu körperverträglichen kleineren Molekülen abgebaut werden können, dienen als Medikamentenfähren. Es könnte aber sein, dass die Fähren wegen ihrer geringen Größe eine Eigendynamik entwickeln. Deshalb beobachten die Wissenschaftler, was mit den Vehikeln geschieht, wenn sie sich in der Lunge abgelagert und ihre Medikamentenfracht abgeladen haben. Neben Größe, Form und Oberflächenstruktur der Nanocarrier ist auch die Geschwindigkeit, mit der das Medikament im Körper freigesetzt wird, ausschlaggebend. Das Nanohale-Team hat herausgefunden, dass ein Konstrukt aus Polymerkern und anhaftendem Medikament, ummantelt von einer Polymerhülle, eine zu rasche Freisetzung verhindert.

Eine andere, viel versprechende 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. In dem EU-Projekt „Anticarb“ laufen Untersuchungen mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die zur Krebstherapie eingesetzt werden sollen.

Bei der Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist jedoch die Dispergierung kritisch. Die Agglomerat-bildende Eigenschaft von Nanoröhrchen stellt für die Inhalationstherapie eine große Herausforderung dar, da diese biopersistenten Partikel in der Lunge eine anhaltende Entzündungsreaktion bewirken [Tian_EJPB-2013]. Daher wird gegenwärtig vermehrt an bioabbaubaren Materialien gearbeitet.

Dennoch bleiben den Forschern noch viele offene Fragen - Was passiert mit biopersistenten 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 die Blutzirkulation?

IN KÜRZE:

Wichtige Eigenschaften von Nano-Medikamentenfähren sind Größe, Oberflächenstruktur und Form der Partikel sowie die Geschwindigkeit, mit der Medikamente freigesetzt werden.

Die Zukunft der Nanomedizin

In Bezug auf mögliche medizinische Anwendungen von Nanopartikeln sind der Fantasie kaum Grenzen gesetzt.

So könnten die Transporter neben Medikamenten auch Gene transportieren. Denn noch immer krankt die Gentherapie, bei der defekte Gene durch gesunde Kopien ersetzt werden, vor allem an den möglichen Transportern. Bislang wurden in erster Linie Viren 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 „Targeted Delivery“ können die Partikel aber nur leisten, wenn sie über eine Art Suchsystem verfügen, das die Zielstrukturen erkennt. Entsprechende Moleküle an der Oberfläche sollen etwa auch die neue Generation der magnetischen Eisenoxid-Partikel für die Krebstherapie ergänzen. Sie könnten dann, so die Hoffnung der Forscher, 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 der Geschwulst gebracht werden. Eine einfache Infusion in den Blutstrom würde dann genügen und die Partikel fänden ihren Einsatzort von selbst.

Darüber hinaus versuchen Forscher 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.

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Informationen zum Inhalt

Quellen:

Wissenschaftliche Beratung:

Dr. Tobias Stöger, Helmholtz Zentrum München, Institut für Lungenbiologie
Dr. Otmar Schmid, Helmholtz Zentrum München, Institut für Lungenbiologie

Quellen:

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:

20.08.2013

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