Auf die Größe kommt es an: Wunden mit Nanopartikeln gezielt verschließen
Blutungen nach Unfällen oder Verletzungen sind teils schwer zu stoppen. Forschende zeigen jetzt, dass Nanopartikel in einem bestimmten Größenbereich vielleicht schon bald Patientinnen und Patienten retten könnten.
Nanopartikel in einem mittleren Größenbereich stoppen Blutungen im Tierexperiment besonders effektiv.
Foto: Christine Daniloff, MIT
Traumatische Verletzungen sind in Europa und in den USA die häufigste Todesursache bei Menschen unter 45 Jahren. Weltweit sterben pro Jahr rund drei Millionen Menschen aufgrund blutender Verletzungen. Um die Zahl an Todesfällen zu verringern, arbeiten viele Wissenschaftlergruppen weltweit an injizierbaren Nanopartikeln, die sich an der Stelle einer inneren Verletzung festsetzen. Danach locken sie Blutplättchen an, um Blutungen zu stoppen, bis Patientinnen und Patienten ein Krankenhaus erreichen.
Einige dieser Nanopartikel haben sich in Tierversuchen als vielversprechend erwiesen, aber bisher wurde noch keines an Menschen getestet. Das lag vor allem an fehlenden Informationen über den Wirkmechanismus und über die potenzielle Sicherheit. Um mehr Licht in diese Faktoren zu bringen, haben Chemieingenieurinnen und -ingenieure am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge erforscht, wie unterschiedlich große Polymer-Nanopartikel im Körper zirkulieren und mit Blutplättchen interagieren. Ihre neue Erkenntnis: Teilchen mittlerer Größe zeigen die besten Eigenschaften.
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Ein Blick auf die Herstellung von Nanopartikeln
Zum Hintergrund: Nanopartikel, die Blutungen stoppen, können auf verschiedene Weise hergestellt werden. Eine der am häufigsten verwendeten Strategien ist die Synthese aus einem biokompatiblen Polymer, das mit einem Protein oder Peptid chemisch verbunden wird. Proteine oder Peptide gehören zu den Eiweißen. Sie haben die Eigenschaft, Blutplättchen anzulocken und damit die Blutgerinnung zu initiieren.
In dieser Studie haben die Forschenden das Polymer PEG-PLGA eingesetzt. Es besteht aus Polyethylenglykol, kurz PEG, und Poly(lactid-co-glycolid), kurz PLGA, und wird chemisch mit einem speziellen, zellbindenden Peptid verknüpft.
Die meisten bisherigen Studien über Polymerpartikel zur Blutstillung haben sich auf Partikel mit einer Größe von 300 bis 500 Nanometern konzentriert. Wie sich die Größe auf die Funktion auswirkt, war bislang unbekannt. In der neuen Studie analysierte das MIT-Team eine Reihe von Nanopartikeln, darunter kleine (weniger als 100 Nanometer), mittlere (140 bis 220 Nanometer) und große (500 bis 650 Nanometer) Teilchen.
Unterschiedliche Größe – unterschiedliche Eigenschaften
Zunächst analysierten die Forschenden alle Partikel im Labor, um herauszufinden, wie sie unter verschiedenen Bedingungen mit aktiven Blutplättchen interagierten. Bei einem der Tests wurde gemessen, wie gut Partikel an Blutplättchen gebunden werden, wenn diese durch ein Röhrchen fließen. Hier führten die kleinsten Nanopartikel zu dem größten Prozentsatz an gebundenen Blutplättchen. In einem anderen Test wurde bestimmt, wie gut Nanopartikel an einer mit Blutplättchen beschichteten Oberfläche haften. In diesem Szenario zeigten die größten Nanopartikel die besten Eigenschaften.
Dann gingen Forscherinnen und Forscher der Frage nach, wie viel der an der Oberfläche haftenden Masse aus Nanopartikeln und wie viel aus Blutplättchen bestand. Schließlich sollen so viele Blutplättchen wie möglich angezogen werden. Sie stellten fest, dass die Partikel im mittleren Größenbereich am effektivsten waren.
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Erste Studien mit Nanopartikel im Mausmodell
Anschließend testeten die MIT-Chemieingenieurinnen und -ingenieure drei Größenklassen von Nanopartikeln an Mäusen. Zunächst injizierten sie die Partikel gesunden Mäusen, um zu untersuchen, wie lange sie im Körper zirkulierten und wo sie sich anreichern würden. Dabei stellten sie fest, dass sich die größten Partikel wie erwartet eher in der Lunge oder an anderen Stellen außerhalb des Zielgebiets anreicherten. Sie zirkulierten kürzer im Organismus, was nicht gewünscht ist.
Anhand eines Rattenmodells mit inneren Verletzungen untersuchten die Forschenden danach, welche Partikel Blutungen am wirksamsten stoppen. Sie fanden heraus, dass Teilchen mittlerer Größe besonders effektiv waren und auch die größte Akkumulationsrate an der Wundstelle aufwiesen.
„Unsere Studie deutet darauf hin, dass größere Nanopartikel nicht unbedingt das System sind, auf das wir uns konzentrieren wollen“, fasst Paula Hammond, Professorin am MIT, zusammen. „Die Möglichkeit, unsere Aufmerksamkeit auf diesen mittleren Größenbereich zu richten, kann uns einige neue Türen öffnen.“
Auf dem Weg zu klinischen Studien
Die Forscher hoffen nun, ihre Partikel in größeren Tiermodellen zu testen, um mehr Informationen über ihre Sicherheit und die wirksamste Dosis zu erhalten. Präklinische Studien dieser Art sind eine wichtige Vorbereitung für klinische Studien an Menschen.
„Unsere Partikel sind perspektivisch dafür vorgesehen, vermeidbare Todesfälle zu bekämpfen. Sie sind kein Allheilmittel für innere Blutungen, aber sie sollen einer Person ein paar Stunden mehr Zeit verschaffen, bis sie in ein Krankenhaus kommt, wo sie angemessen behandelt werden kann“, sagt Celestine Hong, Doktorandin am MIT.
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