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Marburg Krebsmittel-Transport per Bakterio-Bot
Marburg Krebsmittel-Transport per Bakterio-Bot
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00:17 03.08.2018
Der Marburger Mikrobiologe Oliver Schauer ist der Kopplungsspezialist zwischen Zellen. Foto: Martin Schäfer Quelle: Martin Schäfer
Marburg

Eine Idee ist, dass Medikamente an einen Zielort im Gewebe gebracht werden, um Krankheiten wie etwa Krebs treffsicher zu bekämpfen. Dieser Vision sind Marburger und Stuttgarter Forscher nun einen, wenngleich auch winzigen Schritt näher gekommen.

Das Team um Metin Sitti vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart hat einen bio-mechanischen Nanoroboter unlängst vorgestellt, der schon eine Vielzahl an Funktionen aufweist. Der Bakterio-Bot besteht aus zwei Teilen, einer Bakterienzelle und der Zelle eines roten Blutkörperchens. Am Bakterium vom Typ E. Coli hängen vier bis acht Geißeln, mit denen sich das bio-mechanische Konglomerat vorwärts bewegen kann – und zwar auf der Kurzstrecke.

Das rote Blutkörperchen enthält ein krebsbekämpfendes Medikament und außerdem noch magnetische Eisenoxid-Partikel. Über Magnete lassen sich daher von außerhalb des Körpers die grobe Fortbewegung des Nanoroboters über größere Distanzen im Organismus steuern.

Ein zweites Team von Biologen des Marburger Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie um Victor Sourjik und Oliver Schauer haben nun den Kopplungsmechanismus von Bakterium mit Blutkörperchen fertig gestellt. Der sieht aus und funktioniert ähnlich wie die Kopplung zweier Eisenbahn-Einheiten, gewissermaßen das Bakterium als kleine Rangier-Lokomotive und das Blutkörperchen als großer Güterwaggon. Die Kupplung besteht aus ganz bestimmten biologischen Molekülen, die sowohl das Bakterium als auch die Blutzelle auf der äußeren Zellmembran bilden müssen und die sich dann ineinander klinken.

Mit hochauflösenden Mikroskopen nehmen die Forscher die Bot-Bewegungen auf – Überraschungen nicht ausgeschlossen. So bewegt sich die Bakterienzellen mal im Schub- und mal im Zug-Modus. Das lässt sich gut erkennen, da die antreibende Bakterienzelle deutlich kleiner ist und wie ein Anhängsel am Blutkörperchen klebt. Das Blutkörperchen ist flexibel, lässt sich leicht deformieren und kann durch den Bakterienantrieb – im Schub-Modus – auch durch Engstellen gezwängt werden, die deutlich kleiner als der Zellendurchmesser sind.

Spezialisten für die Biochemie der Zelle

Während Sitti und seine Kollegen mit Schwerpunkt an Nanorobotern, seien es kleinste mechanische Einheiten oder biologisch inspirierte Vehikel, forschen, sind die Biologen aus Marburg Spezialisten für die Biochemie der Zelle. Ein biochemisches Prinzip der Zellnavigation ist beispielsweise die sogenannte Chemotaxis: Die Bakterien „riechen“ gewissermaßen über besondere Rezeptoren, wo die Konzentration bestimmter Stoffe, etwa Nahrung, größer wird und strudeln dorthin.

Dieses Prinzip will das Forscherteam für die Nahnavigation im Körper nutzen: Das Bakterium steuert seine Fracht etwa in Richtung Krebsgeschwür, weil dort die Konzentration bestimmter vom Krebs abgegebener Stoffe größer ist. Angekommen deponiert der Bakterio-Bot seine Ladung und zerstört sich selbst, damit er nicht vom Immunsystem entdeckt, erkannt und attackiert wird, was Nebenwirkungen hervorrufen könnte.

Einen solchen Selbstzerstörungsmechanismus haben Metin Sitti und seine Kollegen Oncay Yasa und Yunus Alapan schon eingebaut. Mit infrarotem Licht kann der Schalter umgelegt werden. Ein Licht absorbierender Farbstoff in der Blutzelle nimmt Energie auf und führt zum Wärmetod von rotem Blutkörperchen und angekoppeltem Bakterium. „Das löst das Problem, was tun, wenn die Medikamente abgeliefert wurden. Wir müssen das Bakterium sofort vernichten, um seine unkontrollierte Vermehrung zu verhindern. Wir wollen vermeiden, dass sich der Körper mit einer Immunreaktion verteidigt“, erklärt Yunus Alapan.

Eine kleine grüne Zelle schiebt ein großes Blutkörperchen wie einen Güterwaggon umher (rundes Foto). Quelle: Max-Planck-Gesellschaft

Für Sitti hat dieses rein biologische System deutliche Vorteile gegenüber technischen Nanoroboter-Prototypen aus Festkörpern: Der Bakterio-Bot ist stabiler, deformierbar, biokompatibel und biologisch abbaubar, berichtet der Forscher jüngst im Fachmagazin „Science Robotics“.

Letztlich greifen die Forscher nur die Ideen der Natur auf: Auch im menschlichen Blutstrom dienen die roten Blutkörperchen hauptsächlich dem Transport – von Sauerstoff und anderen Substanzen. Sie werden passiv im Blutkreislauf mitbefördert und durch kleinste Blutkapillaren gezwängt.

Das technische Bakterio-Bot-System hingegen hat zwei Bewegungsgänge – für große Distanzen und die grobe Orientierung per Magnetfeld von außen und für die zielgerichtete Kurzdistanz die Chemotaxis zum Ort des erwünschten Geschehens.
Für die Zukunft planen die Forscher, ihren Bakterio-Bot im Darm oder im Magen zu testen. Derzeit jedoch laufen sämtliche Versuche noch unter dem Mikroskop und auf Teststrecken im Reagenzglas.

von Martin Schäfer