Nanotechnik Heilung vom Allerfeinsten

Intelligente Maschinen, viel kleiner als ein Staubkorn, die gezielt Jagd auf Viren, Bakterien und Krebszellen machen, krankhafte Ablagerungen in den Blutgefäßen beseitigen und obendrein noch den Blutdruck und andere Körperfunktionen überwachen - die Visionen der Nanotechnik klingen bisweilen äußerst verlockend. Auch wenn es diese winzigen Alleskönner vielleicht niemals geben wird, hat die Technik, die Strukturen und maßgeschneiderte Partikeln von weniger als 100 Nanometer Größe kontrolliert herstellt, bereits in vielen Bereichen der Medizin Fuß gefasst.

So arbeitet man in vielen Labors eifrig an nanometergroßen Fähren in Gestalt winziger Partikeln, die Wirkstoffe, Arzneien, Biomoleküle und genetisches Material im Huckepackverfahren gezielt und wohldosiert in kranke Zellen einschleusen können. Das ist keine leichte Aufgabe, gilt es doch natürliche Barrieren, etwa die Schleimhaut oder die Blut-Hirn-Schranke, zu überwinden und nicht zuletzt das Immunsystem zu überlisten. Die Voraussetzungen sind vielerorts geschaffen, und die langen Jahre der Grundlagenforschung beginnen erste Früchte zu tragen.

Eisenoxidpartikeln als Fähren

Große Hoffnung setzt man in der Chemotherapie auf die winzigen Transportsysteme, da diese in der Lage sind, nur die erkrankten Körperregionen anzugehen, während die gesunden Körperareale nahezu geschont werden. Damit die Nanopartikeln ihren Zielort finden, werden sie mit Tensiden, Enzymen, Zuckern oder Antikörpern ausgestattet, die als Tarnkappen oder als Erkennungsmoleküle fungieren, die das Andocken an die Zelle ermöglichen. So können selbst einen halben Mikrometer große Partikeln offenbar noch durch die Schleimhaut dringen, wenn sie mit Polyethylenglykol - einer nichttoxischen, wasserlöslichen Substanz - beschichtet wurden, wie Forscher von der Johns Hopkins University in Baltimore (Maryland) herausgefunden haben. Bislang glaubte man, dass die Poren der Schleimhäute nur Partikeln durchlassen, die nur wenige Nanometer messen.

Als Nanovehikel eignen sich hohle Fettkügelchen, in deren Innerem die zu transportierenden Substanzen sitzen, ebenso wie baumartig verzweigte Polymere, sogenannte Dendrimere. Die Wirkstoffe und Biomoleküle werden in den Hohlräumen der Kunststoffaggregate untergebracht, und an den Ästen kann man funktionelle Gruppen befestigen, die an die Biomoleküle und Zellen andocken. Viele Forschergruppen nutzen magnetische Eisenoxidpartikeln als Fähren. Diese sind kommerziell in jeder beliebigen Größe erhältlich und werden seit vielen Jahren als Kontrastmittel in der Magnetresonanz-Thomographie (MRT) verwendet. Zudem lassen sie sich mit vielen Funktionen ausstatten und mit einem Magnetfeld außerhalb des Körpers manipulieren.

Spürhunde für die Tumore

Letzteres nutzen beispielsweise Christoph Alexiou vom Universitätsklinkum Erlangen-Nürnberg und seine Kollegen. Die Forscher injizieren die magnetischen Partikeln, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind, in jene Blutgefäße, über die Tumore ihre Nährstoffe beziehen. Mit einem externen Magnetfeld lassen sich die Teilchen, auf deren Oberflächen das Zellgift Mitoxantron sitzt, nun an den Ort der Krebszellen lenken, wo sie sich anreichern und die Substanz freisetzen. Auf diese Weise ist es bei Tierversuchen gelungen, die Menge des Zytostatikums im Areal des Tumors um das Fünfzigfache gegenüber der klassischen Chemotherapie zu erhöhen.

Tumore sichtbar zu machen und sie von den Versorgungswegen abzuschneiden ist das Ziel von Forschern vom Krebsforschungszentrum in La Jolla. Als Vehikel nutzen sie ebenfalls magnetische Eisenoxidpartikeln. Auf der Hülle aus Dextran sitzen neben Farbstoffmolekülen auch Peptide aus fünf Aminosäuren. Die Biomoleküle dienen gewissermaßen als Spürhunde für die Tumore, da sie sich bevorzugt an Proteinstrukturen heften, die nur Krebszellen aufweisen. Einmal in die Blutbahn von Mäusen gespritzt, wandern die Partikeln an den Ort der bösartigen Zellen, verklumpen dort und verstopfen die Blutgefäße des Tumors, was dessen Nährstoffversorgung stark einschränkt.

Per Magnetfeld erhitzt

Derzeit nutzen die Forscher ihr Verfahren vor allem dazu, die Tumore mit dem Fluoreszenzlicht der Farbstoffmoleküle, die auf den Oxidteilchen sitzen, sichtbar zu machen, wie sie in den „Proceedings“ der amerikanischen Nationalen Akademie der Wissenschaften (Bd. 104, S. 932) berichten. Künftig wollen sie die Partikeln zusätzlich mit Zellgiften ausstatten und damit die umlagerten Tumore angehen. Allerdings funktioniert die Technik nur, wenn man den Mäusen zuvor Liposomen verabreicht, die mit toxischem Nickel beschichtet sind. Denn ohne dieses Ablenkungsmanöver werden die beschichteten Eisenoxidpartikeln vom Immunsystem erkannt und sofort vernichtet.

Die meisten Therapieansätze werden derzeit noch im Tiermodell erprobt. Nur wenige sind bereits Gegenstand klinischer Studien wie das Verfahren, das Andreas Jordan von der Charité in Berlin vor mehr als fünfzehn Jahren ersonnen hat. Dreh- und Angelpunkt sind mit Biomolekülen umhüllte, 15 Nanometer große Teilchen, die man in das Krebsgewebe injiziert und mit einem magnetischen Wechselfeld auf maximal 45 Grad erhitzt. Die Wärme zerstört die Tumorzellen oder macht sie empfindlicher für eine Strahlentherapie oder Chemotherapie, ohne dass dabei gesunde Zellen beschädigt werden. Die Machbarkeit und Sicherheit des Verfahrens ist bereits an Patienten mit aggressiven Hirntumoren, Prostatakarzinomen und Speiseröhrenkrebs getestet worden. Derzeit laufen klinische Studien der Phase zwei, die die Wirksamkeit des Verfahrens unter Beweis stellen sollen.

Ferngesteuert mit Magnetfeldern

Mit „superparamagnetischen“ Aerosolen als Wirkstofftaxis will eine deutsche Forschergruppe gezielt Lungenkarzinome und andere lokale Krankheiten des Atmungsorgans angehen. Wie Carsten Rudolph vom Kinderspital der Ludwig-Maximillians-Universität München und seine Kollegen in der Online-Ausgabe der Zeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichten, verwenden sie etwa 3,5 Mikrometer große Wassertröpfchen, in die sie 80 Nanometer große magnetische Eisenoxidpartikeln einschleusen. Werden die „Nanomagnetosole“ inhaliert, gelangen sie mit der Atemluft in die Lunge.

Mit einem äußeren Magnetfeld können die Partikeln dann zielgerichtet an den gewünschten Ort dirigiert werden, wo sie sich anreichern und dann gegebenenfalls ihren Wirkstoff abgeben. In Computersimulationen und an lebenden Mäusen haben die Forscher um Rudolph demonstriert, dass ihr Verfahren prinzipiell funktioniert. So zeigten Lungeareale, an die man ein äußeres Magnetfeld gelegt hatte, eine deutlicher erhöhte Konzentration an den magnetischen Aerosolen als Bereiche, die nicht dem Feld ausgesetzt waren. Künftig wollen die Forscher ihre Aerosolfähren mit Wirkstoffen ausstatten.

Eines Tages medizinischer Alltag

An einer effizienten und möglichst nebenwirkungsfreien Therapie von Bronchialkarzinomen, die ohne Zytostatika auskommt, arbeiten Forscher der Universität des Saarlandes in Saarbrücken gemeinsam mit Pharmakologen aus Stuttgart. Claus-Michael Lehr und seine Kollegen wollen das „Unsterblichkeitsenzym“ Telomerase, das mitentscheidend für die ungebremste Vermehrung der Krebszellen ist, ausschalten und so das Tumorwachstum stoppen. In der Vergangenheit sind eine Reihe von Telomerasehemmern entwickelt worden. Die wirksamsten dieser Stoffe sollen nun auf Nanopartikeln geladen und in die Zellkerne der Tumorzellen geschleust werden. Die Forscher stehen noch am Anfang. Derzeit entwickeln sie eine Zellkulturbank aus operativ entfernten Lungentumoren.

Wenn viele Nanomediziner noch vorsichtig sind, was die Zukunftsperspektiven ihrer Ansätze betrifft, so scheint es doch angesichts der Möglichkeiten realistisch, dass eines Tages präzise Transportsysteme zum medizinischen Alltag gehören werden. Doch bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Fünfzehn Jahre dauert es im Schnitt, bis ein Medikament oder eine Therapie alle Hürden bis zur Zulassung genommen hat.