Was sind Nanotechnologie und Nanomedizin? Kurz erklärt: Anwendungsgebiete und Beispiele

Beitragsreihe

Nanotechnologie ist die Kontrolle von Materie auf atomarer und molekularer Ebene und ein relativ junges Wissenschaftsgebiet. Sie wird auch als Kontrolle von Materie definiert, deren mindestens eine Dimension zwischen 1 Nanometer und 100 Nanometern liegt. Wegen der vielfältigen möglichen medizinischen, industriellen und militärischen Anwendungen investierten Staaten Milliarden Dollar in ihre Erforschung. Da sie über Größe definiert wird, umfasst sie Bereiche wie Geowissenschaften, organische Chemie, Molekularbiologie, Halbleiterphysik und Mikrofabrikation und ist entsprechend breit. Ebenso vielfältig sind Forschung und Anwendungen. Seit einiger Zeit trägt sie erheblich zur klinischen Medizin, besonders zur Onkologie, bei.

Nanomaterialien besitzen verschiedene für die Onkologie ideale Eigenschaften. Besonders die bevorzugte Tumoranreicherung und geringe Verteilung im Normalgewebe machen sie gegenüber kleinen Molekülen vorteilhaft. Diese Eigenschaften wurden in der Strahlenonkologie gut untersucht und halfen bei Bildgebung, Therapieplanung und Erhöhung der Strahlenempfindlichkeit. In dieser Reihe wollen wir geeignete Nanomaterialien und ihren möglichen künftigen Nutzen für die Krebsbehandlung diskutieren.

Geschichte

Erste Konzepte diskutierte der berühmte, auch am Atombombenbau beteiligte Physiker Richard Feynman 1959 in seiner Rede „There is Plenty of Room at the Bottom“ („Unten ist viel Platz“), in der er die Möglichkeit einer Synthese durch direkte Atomkontrolle beschrieb.

Bis in die 1980er Jahre überwog die Theorie. Anfang der 2000er Jahre wuchs wissenschaftliches, politisches und kommerzielles Interesse. Staaten begannen, Nanotechnologie zu fördern und zu finanzieren, angefangen mit der amerikanischen National Nanotechnology Initiative zur Förderung nanoskaliger Forschung.

Anwendungen der Nanotechnologie

Nanotechnologie brachte viele Diskussionen mit sich, etwa über Risiken in Lebensmitteln und mögliche Gesundheitsfolgen von Nanopartikelexposition. Gleichzeitig begann die Vermarktung von Produkten auf Grundlage nanoskaliger Fortschritte. Diese beschränken sich eher auf Massenanwendungen von Nanomaterialien als auf atomare Materiekontrolle. Nach Schätzungen des Project on Emerging Nanotechnology sind mehr als 1600 Produkte öffentlich erhältlich, wöchentlich kommen 3-4 Mal neue auf den Markt. Das Projekt führt sie in einer öffentlichen Online-Datenbank. Meist werden passive Nanomaterialien der ersten Generation verwendet: Titanoxid in Sonnencreme, Kosmetik, Beschichtungen und manchen Lebensmitteln; Kohlenstoffallotrope für Gecko-Klebeband; Silber in Lebensmittelverpackungen, Kleidung, Desinfektionsmitteln und Haushaltsgeräten; Zinkoxid in Kosmetik und Sonnencreme sowie Ceroxid als Kraftstoffkatalysator. Weiterentwickelte Anwendungen machen Tennisbälle haltbarer, Golfbälle geradliniger und Bowlingbälle widerstandsfähiger mit härterer Oberfläche. Hosen und Socken werden langlebiger und halten Menschen im Sommer kühl. Silberpartikel in Verbänden fördern schnelle Wundheilung. Auch Autos werden mit Nanomaterialien hergestellt und könnten künftig weniger Metall und Kraftstoff benötigen. Spielkonsolen und Computer können dadurch günstiger, schneller und speicherstärker werden.

Das Institute for Global Futures bezeichnet Nanotechnologie als Gebiet mit den stärksten sozioökonomischen Auswirkungen der kommenden 10 Jahre. Die globale Wertschöpfung nanotechnologischer Endprodukte lag 2010 bei 150 Milliarden USD und erreichte 2014 bereits 2.6 Billionen USD.

Vom Größeren zum Kleineren: Materialperspektive

Mit abnehmender Systemgröße werden bestimmte Phänomene deutlich. Nanoskalige Materialien können andere Eigenschaften als im Makromaßstab zeigen und einzigartige Anwendungen ermöglichen: Undurchsichtiges kann durchsichtig werden (Kupfer), Stabiles brennbar (Aluminium), Unlösliches löslich (Gold). Normalerweise chemisch inertes Gold kann nanoskalig als Katalysator wirken. Ein großer Teil des Interesses beruht auf Quanten- und Oberflächenphänomenen im Nanomaßstab.

Vom Einfachen zum Komplexen: Molekulare Perspektive

Moderne Synthesechemie ermöglicht kleine Moleküle nahezu jeder Struktur. Solche Methoden erzeugen nützliche Chemikalien wie Arzneimittel oder kommerzielle Polymere. Diese Ansätze nutzen im Bottom-up-Verfahren molekulare Selbstorganisation und/oder supramolekulare Chemie, um sich automatisch in nützliche Formen umzuwandeln.

Ein wichtiges Anwendungsgebiet: Medizin

Die technische Gestaltung nanoskaliger Materie kann Nanopartikel ergeben, Nanomaterialien kleiner als 100 nm. Sie besitzen besondere, von kleinen Molekülen abweichende Eigenschaften, die für neue diagnostische und therapeutische Stoffe genutzt wurden. Eisenoxid-Nanopartikel haben beispielsweise superparamagnetische Eigenschaften, die andere Eisenoxidmaterialien nicht besitzen. Bei äußerem Magnetfeld liefern sie selbst niedrig dosiert paramagnetische Signale und sind dadurch ausgezeichnete MRT-Kontrastmittel.

Nanomaterialien besitzen weitere für die Onkologie ideale Merkmale: den Effekt erhöhter Permeabilität und Retention (enhanced permeability and retention (EPR) effect), besondere Bioverteilung und Pharmakokinetik sowie kontrollierte Freisetzung. Tumortypisch undichte Gefäße und ineffiziente Lymphbahnen lassen Partikel einströmen, aber nicht in den Kreislauf zurückkehren. Dieser EPR-Effekt erzeugt bevorzugte Anreicherung und bietet diagnostische wie therapeutische Vorteile. Verglichen mit kleinen Molekülen ist auch ihre Bioverteilung besonders: Sie haften nicht an normalen Gefäßen und Kapillaren, wodurch sich in Organen wie Haut, Lunge und Herz wenig unerwünschtes Medikament ansammelt. Viele Partikel lassen sich zudem zur langsamen, kontrollierten Inhaltsfreisetzung gestalten. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, dass Tumorzellen den enthaltenen Krebsmedikamenten ausgesetzt werden.

Dennoch betrifft die meiste onkologische Nanoforschung Diagnose und Chemotherapeutikatransport. Es entstand großes Interesse, Nanotechnologie auch zur Verbesserung der Strahlenonkologie zu nutzen.

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