Was sind Nanopartikel, welche Beispiele gibt es? Nanotechnologie bei der Krebsdiagnose

In unserem ersten Beitrag über Nanotechnologie erläuterten wir Definition und Anwendungen und führten in die Krebsanwendung ein. Nanotechnologie ist ein neues Wissenschaftsgebiet mit Partikeln von 1 – 100 Nanometern, den Nanopartikeln, und breiten Anwendungen in Medizin, Biomedizin, Physik, Chemie, Elektronik und Energieerzeugung.

In der Medizin werden Nanotechnologie und Nanopartikel (NT) für empfindlichere Analysen als eine Art Biomarker, zur molekularen Bildgebung in MRT, Ultraschall und CT sowie für Arzneimittelentwicklung, zielgerichtete Therapie und Impfstoffentwicklung verwendet. NT können an biologische Moleküle mit Adressmarkierungen gebunden werden, die bestimmte Körperbereiche oder sogar Zellorganellen ansteuern. Sie können auch programmiert werden, Bewegungen bestimmter Proteine oder RNA in lebenden Zellen zu verfolgen. Solche Adressen sind monoklonale Antikörper, kleine Moleküle oder Peptide. Diese zielgerichteten Wirkstoffe werden idealerweise durch kovalente Bindungen, chemische Bindungen mit gemeinsam genutzten Elektronen zwischen zwei Atomen, an NT gebunden. Mit besonderen Verfahren können NT in rote Blutkörperchen eingebracht und so vor dem Immunsystem verborgen werden.

Nanopartikelplattformen

NT können aus zahlreichen anorganischen und organischen Materialien hergestellt werden. Anorganisch bedeutet nicht organisch. In der Biologie bezeichnet dies Verbindungen wie Wasser, Mineralien, Säuren, Basen und Salze, die in Lebewesen vorkommen, aber selbst nicht lebendig oder von einem Lebewesen hergestellt sind. Sie werden fertig aus der Natur entnommen; die Herstellung anorganischer Stoffe ist nicht möglich. Organisch hat heute mehrere Bedeutungen. Ursprünglich bezeichnet es etwas als Teil eines Lebewesens oder daraus Entstandenes.

Die bekanntesten anorganischen NT sind Eisenoxidpartikel. Wegen ihrer besonderen Eigenschaften werden anorganische NT häufig diagnostisch eingesetzt.

Organische NT werden häufig mit Lipiden, polymeren Mizellen (Arzneimittelträgersystemen, die schwer lösliche Stoffe löslich machen), Nukleinsäuren und Peptiden als biokompatiblen Materialien formuliert. Wegen dieser Verträglichkeit dienen sie vorwiegend therapeutischen Anwendungen. Polymere Mizellen besitzen meist eine hydrophile Oberfläche und einen hydrophoben Kern. Eine solche Form des seit Anfang der 1970er Jahre verwendeten Chemotherapeutikums Paclitaxel wurde 2005 zur Krebsbehandlung zugelassen. Das nab-Paclitaxel genannte Medikament trug positiv zur Behandlung von Brust-, Lungen- und Bauchspeicheldrüsenkrebs bei.

NT können mit langkettigen stimuliresponsiven oder intelligenten Polymeren beschichtet werden, die auf Umgebungsreize durch Quellen oder Schrumpfen reagieren. Sie werden mit Krebsmedikamenten beladen und an der Oberfläche mit krebszellspezifischen Liganden versehen (einem Atom, Ion oder Molekül, das an ein zentrales Metall bindet) und dadurch auf das gewünschte Gewebe gerichtet. Dort erhöht ein äußeres Magnetfeld die Temperatur, sodass der eingeschlossene Wirkstoff freigesetzt wird. Ziel ist die Behandlung von Krebsgewebe ohne Schädigung gesunder Gewebe. Diese Partikel können intravenös injiziert werden und über das Blut Tumorbereiche erreichen. Die supermagnetischen Teilchen geben durch ein elektromagnetisches Feld ihren Wirkstoff im erkrankten Bereich ab. Diese Wellen durchdringen wie Radiowellen den Körper ohne Schaden und erwärmen nur die Partikel. Sie machen Krebszellen auch in MRT-Geräten besser sichtbar.

Nanotechnologie in Bildgebung und Diagnose

Nanotechnologie hat wesentlich zu medizinischer Bildgebung und Diagnostik beigetragen. Eisenoxid-NT können besonders verdächtige Lymphknotenmetastasen (Metastasen: Ausbreitung von Krebszellen aus ihrem Ursprungsgewebe direkt oder über Blut- und Lymphgefäße in andere Bereiche) nachweisen. Eine Studie an Prostatakrebspatienten zeigte gegenüber klassischer Magnetresonanztomographie (MRT) einen deutlich besseren Nachweis von Lymphknotenmetastasen durch MRT mit Eisenoxid-NT.

Die selektive Anreicherung in metastatischen Lymphknoten (lymphotrope NT) eröffnet erfolgreichere Behandlungen bei häufig bestrahltem Kopf-Hals-, Brust- und Analkrebs. Gefährdete Lymphknoten zu erkennen ist für die Bestrahlungsplanung entscheidend. Bisher geschah dies meist durch Computertomographie (CT) . Studien an Prostatakrebspatienten verglichen CT und NT-MRT zur Erkennung gefährdeter Knoten. Biopsien bestätigten die genauere Erkennung metastatischer Knoten durch NT-MRT. Entgegen früheren Vorstellungen lagen diese eher um Gefäße als um Knochen.

Nanotechnologie trägt inzwischen auch zur klassischen Röntgenbildgebung (X-ray) bei. Kohlenstoffnanoröhren wurden als Elektronenemitter verwendet. Dies ermöglichte höhere Auflösung, weniger Strahlung und kleinere Geräte. 

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