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Nanotechnologie in der Medizin Weniger ist manchmal mehr

Auf Nanopartikeln ruhen große Hoffnungen seitens der Medizin. Man will die „Zwerge“ als zielgesteuerte Transporter für Medikamente benutzen. Komisch, aber wahr: Bisher sind die Nanoteilchen zu groß, um vom Körper wieder ausgeschieden zu werden.

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Prof. Dr. Wolfgang Parak (links) und sein wissenschaftlicher Mitarbeiter Jose-Maria Montenegro halten farbige Lösungen mit Nanopartikeln im Labor auf den Lahnbergen.

Quelle: Thorsten Richter

Marburg. Gemeinsam mit einem internationalen Team ist es dem Marburger Biophysiker Wolfgang Parak erstmals gelungen, die Stabilität und Verteilung verschiedener Bestandteile von Nanopartikeln im Körper genau zu beobachten.

Nanopartikel sind kleinste Teilchen, die bis in entlegene Körperregionen vordringen können. In der Forschung werden verschiedene Ansätze erprobt, wie Nanopartikel medizinisch genutzt werden könnten. Zum Beispiel erprobt man, sie einzusetzen, um Wirkstoffe an spezielle Orte – etwa Tumore – zu befördern.

Tumore sind löchriger

„Die Blutgefäße der Tumore sind etwas löchriger als die herkömmlichen Gewebes. Man kann nachweisen, dass Nanopartikel mit einer Größe von etwa 100 Nanometern sich in einem Tumorgewebe anreichern“, sagt Wolfgang Parak. Von der Größe und Beschaffenheit eignen sich zum Beispiel Nanopartikel aus Eisen oder Gold für die Anwendung im menschlichen Körper.

Die Forscher können so zum Beispiel Krebsmedikamente an magnetisierbare Nanopartikel binden. Anschließend spritzen sie diese in ein Blutgefäß, das zum Tumor führt. Von außen legen sie im Bereich des Tumors einen Magneten auf den Körper des Patienten.

Davon angezogen reichern sich die Nanoteilchen mit den Wirkstoffen im Tumor an. Ummantelt sind die Nanoteilchen dabei mit einer sogenannten Polymerschicht aus organischem Material. Gold oder Eisen sind wasserabweisend und könnten mit dieser Oberflächen-Eigenschaft  nicht über den Blutkreislauf injiziert werden. Die Polymerhülle macht die Nanoteilchen im Blut stabil. Mit den Eigenschaften der Polymerhülle kann auch eine genauere Ansteuerung von Gewebe oder Gefäßen im Organismus erreicht werden.

Die Verteilung der Nanopartikel im Körper wird „Biodistribution“ genannt. Für Nanopartikel zur Tumorbekämpfung sollte die Biodistribution so sein, dass alle Nanopartikel im Tumor, nicht aber in anderem Gewebe verteilt sind. Leider ist dies nicht perfekt möglich, und Nanopartikel, die in anderem Gewebe wie besonders in der Leber angelagert werden, erzeugen ungewollte Nebenwirkungen.

Wie die Nanoteilchen ans Ziel kommen, ist allerdings nur die eine Seite des Problems, an dem derzeit weltweit geforscht wird.

Die Wissenschaftler beschäftigt auch, wie die Nanopartikel anschließend wieder aus dem Körper verschwinden, ohne in gesundem Gewebe Schaden anzurichten. Ein Beweis der Sicherheit ist dringend erforderlich, damit die Anwendung zugelassen wird. „Wissenschaftliche Untersuchungen haben ergeben, dass die meisten Nanopartikel kurzfristig keine Schäden im Organismus verursachen. Allerdings wissen wir noch zu wenig über die Langzeitfolgen. Also darüber, was Nanopartikel auslösen, wenn sie für mehrere Jahre im Organismus verbleiben und sich ablagern“, so der Biophysiker. Bislang seien die Nanopartikel aus Gold mit etwa 100 Nanometern zu groß, um vom Körper wieder ausgeschieden zu werden.

In der aktuellen Studie, die kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ erschien, konnten die Wissenschaftler erstmals zeigen, „dass die Verbindung aus Polymerhülle und Goldpartikel im Körper wieder abgebaut wird“, sagt Wolfgang Parak. Anscheinend werden die Polymer-Gold Verbindungen von Enzymen in bestimmten Leberzellen aufgespalten. Die Goldpartikel verbleiben in den Zellen, weil sie zu groß sind, um ausgeschieden zu werden.

Währenddessen sind die organischen Fragmente klein genug, um über den Urin ausgeschieden werden zu können.

Das war vorher nicht erwartet worden und wurde jetzt erstmals in Laborversuchen mit Mäusen nachgewiesen. Rausgefunden hat Parak das mit seinem Team, weil er die Hülle und „die Goldbrocken“ mit radioaktiven Markern versehen hatte. Ein handwerklich sehr aufwendiger Schritt. Unter dem Fluoreszenzmikroskop konnte man so später in Gewebeproben die unterschiedlichen Marker an ihren verschiedenen Farben auseinanderhalten. Die Verteilung im Körper ließ sich so genau beobachten. Die Untersuchungen hätten das internationale Forscherteam rund fünf Jahre beschäftigt, so Parak.

Viele kleine Goldkügelchen

„Das Spannende an unserer Beobachtung ist, dass wir jetzt einen Ansatz haben, wie wir Nanopartikel bauen müssen, die vom Körper ausgeschieden werden können“, so Parak. Die Idee sei, einfach sehr viele noch kleinere Goldkügelchen mit dem organischen Material als Klebemasse zu einem 100 Nanometer großen Klumpen zusammenzusetzen. Da sich der Kleber wie beobachtet in der Leber von den Nanopartikeln trennt, wären die übrigbleibenden „Partikelchen“ so klein, dass sie ausgeschieden werden könnten. Langzeitfolgen wären so vermeidbar. „Bis Nanopartikel aber als Medikamenten-Transporter wirklich zum Einsatz kommen, werden weitere jahrelange Studien folgen müssen“, sagt Parak. Wie solche „idealen“ Nanopartikel für die Zukunft aussehen müssen, wird etwa von dem EU geförderten Projekt „FutureNanoNeeds“ erforscht.

von Tim Gabel

  • Zur Person:  Professor Dr. Wolfgang J. Parak (43) ist im Süden der Republik, in Dachau, geboren und hat sein Physik-Diplom in München gemacht. Schon seine Diplomarbeit hat er am interdisziplinären Lehrstuhl Biophysik an der TU München abgelegt. Sowohl in seiner Diplomarbeit als auch in seiner Doktorarbeit, die er am Lehrstuhl für Angewandte Physik in München verfasste, beschäftigte er sich mit physikalischen Problemen, die in lebenden Zellen eine Rolle spielen. Als „Postdoc“ an der „University of California at Berkeley“ bearbeitete er von 2000 bis 2002 bereits sein heutiges Forschungsfeld der biologischen Anwendbarkeit von feinen Nanopartikeln in Lösungen. Nach einer Zeit als Assistenz-Professor in München, bekam er 2007 eine Professur an der Philipps-Universität Marburg angeboten. 2009 erhielt er für seine Forschung den „Nanoscience-Award“ von der Gesellschaft der Nanotechnologie-Zentren in Deutschland. Er ist einer der wenigen Physiker, die Mitherausgeber einer Fachzeitschrift für Chemie sind. In seiner Freizeit scheint Parak ein unternehmungslustiger Mensch zu sein. In seinem Büro fanden sich ein Grill, ein Sofa und eine Taucherausrüstung.
  • Hintergrund: Die Nanotechnologie wird zu den Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts gezählt. Der Begriff „Nano“ kommt aus dem Griechischen und bedeutet „Zwerg“. Die Nanowissenschaften befassen sich mit der Herstellung und Untersuchung von Strukturen, die rund zehntausendfach kleiner sind als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die extreme Verkleinerung führt zu neuen Eigenschaften, die für viele technische und medizinische Anwendungen interessant sind. Seit rund zehn Jahren ist die Nanotechnologie in zahlreichen Disziplinen der Wissenschaft ein Begriff – etwa in den klassischen Naturwissenschaften, der Medizin und der Pharmazie. Anwendungen gibt es schon bei der Herstellung von Computer-Festplatten, Sonnencremes mit hohem UV-Schutz und schmutzabweisenden Oberflächen. Ein Ziel der Nanotechnologie ist es, immer mehr Informationen auf immer kleineren Flächen unterzubringen. Experten erwarten, dass sich die Nanotechnologie auf nahezu alle industriellen Branchen auswirkt. Die Einsatzmöglichkeiten reichen von der Verbesserung bestehender Produkte bis hin zur Erfindung neuer Stoffe und neuer Produktionsmöglichkeiten.
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