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Medikamenten-Transport : Nanocontainer für empfindliches Frachtgut

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Tumor in der Brust einer Patientin: Versuche, die Nanokapseln zur Behandlung von Brust- und Lungenkrebs zu verwenden, waren weniger erfolgversprechend. Bild: dpa

Winzige, fast unsichtbare Nanokapseln, die Wirkstoffe gezielt an einen bestimmten Ort im Körper transportieren, erleben einen Boom. Aber sind sie auch kontrollierbar? Forscher melden einen Durchbruch.

          2 Min.

          Nanokapseln werden in Kosmetika oder in Lebensmitteln genutzt, um empfindliche Stoffe beim Transport vor unerwünschten Umwelteinflüssen zu schützen. Die Fracht solch winziger Container können Vitamine und Konservierungsstoffe sein. Oft nutzt man Nanokapseln auch dazu, um medizinische Wirkstoffe oder Fluoreszenzmarker zu umhüllen und gezielt an ihren Wirkungsort zu transportieren, wo sie dann unter bestimmten Bedingungen abgeben werden.

          Schweizer Wissenschaftler haben nun einen neuen Typ von Nanokapseln auf der Basis von Kohlenstoff hergestellt, dessen Außenseite ein anderes chemisches Verhalten zeigt als dessen Innenwand. Die winzigen Kapseln sind gut in Wasser löslich, nehmen aber gleichzeitig bevorzugt wasserabweisende Stoffe auf. Sie sind deshalb als Frachter für bestimmte Substanzen von großem Interesse.

          Kohlenstoff ist als Konstruktionsmaterial für Nanocontainer recht gut geeignet. Das Material ist einerseits biokompatibel, andererseits chemisch inert. Es wird also vom Organismus gut vertragen und löst keine unerwünschten Reaktionen aus. Der bekannteste Nanocontainer aus Kohlenstoff ist das Fulleren, ein aus 60 Kohlenstoffatomen aufgebautes, hohles fußballförmiges Makromolekül.

          Ein Fulleren ist mit einem Durchmesser von gerade einmal 0,7 Nanometer recht klein. Es kann daher nur einzelne Atome oder kleine Moleküle wie etwa Wasser in seinem Inneren aufnehmen, was mögliche Anwendungen einschränkt. Die Wissenschaftler um Wendelin Stark von der ETH Zürich haben deshalb größere Hohlkugeln ersonnen. Deren Durchmesser beträgt im Mittel 33 Nanometer.

          Eine beträchtliche Menge

          Zur Herstellung der Kapseln verwenden die Forscher Nanopartikeln aus Kobalt, die mit drei oder vier Lagen Kohlenstoff beschichtet sind. Der Kohlenstoff ist graphenartig strukturiert, weist also ein Muster von Sechsecken auf. An diese Hülle knüpfen die Chemiker negativ geladene Polymerketten. Sie verleihen den Nanokugeln hydrophile Eigenschaften, machen sie also wasserlöslich.

          Außerdem sorgt die Polymerhülle dafür, dass die Partikeln sich gegenseitig abstoßen und nicht miteinander verklumpen. Durch den magnetischen Kobaltkern sind die Kugeln mit einem Magnetfeld während der Synthese und Reinigung gut zu handhaben. In einem letzten Schritt wird der Metallkern in einem Bad heißer Salzsäure herausgelöst. Das Ergebnis sind nanometergroße hohle Kapseln.

          Erste Tests zeigten das Potential der hohlen Gebilde. Bei der Beladung mit dem Fluoreszenzfarbstoff Rhodamin B etwa zeigte sich ein interessanter Effekt: Der wasserabstoßende Farbstoff reicherte sich spontan in den Kapseln an. Die durchschnittliche Füllmenge pro Container betrug bei den Versuchen 345 Mikrogramm, was eine beträchtliche Menge ist, wie Stark und seine Kollegen in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ berichten.

          Kontrollierte Freigabe

          Mit Rhodamin B befüllte Kapseln haben sich als mechanisch stabil erwiesen, und entsprechende Emulsionen zeigen eine lange Lebensdauer. Der Farbstoff wird erst wieder abgegeben, wenn seine Konzentration in der Umgebung stark abfällt. Das Rhodamin wird dann nach und nach freigesetzt.

          Somit ermöglichen die Nanocontainer eine kontrollierte Zufuhr von Rhodamin mit konstanten Konzentrationen über einen längeren Zeitraum. Ein schlecht wasserlöslicher Wirkstoff könnte also mit Hilfe der Nanocontainer beispielsweise in den menschlichen Körper transportiert werden, wo die Kapseln ihre Fracht kontrolliert freigeben.

          Elektrostatische Wechselwirkungen

          Versuche, in denen man die Nanokapseln mit Doxorubicin, einem Medikament, das zur Behandlung von Brust- und Lungenkrebs verwendet wird, waren weniger erfolgversprechend. Die Kapseln nahmen das Zytostatikum nicht nur in ihrem Innenraum auf.

          Etwa die Hälfte der Menge heftete sich auch außen an die Polymerketten. Das ist offenbar darauf zurückzuführen, dass das Doxorubicin-Molekül eine positive Ladung trägt. So kommt es zu elektrostatischen Wechselwirkungen mit der negativ aufgeladenen Polymerschicht. Eine weitere getestete Substanz, die negative Ladungen trägt, drang überhaupt nicht in die Nanokapseln ein.

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