Nanokugeln als Wirkstofffähren
Viele Krebserkrankungen lassen sich heute gut behandeln, doch die Therapien haben schwere Nebenwirkungen. Das wollen Forscher vermeiden, indem sie Wirkstoffe in Nanopartikeln verpackt bis zum Tumor transportieren.
Nanokapseln im Rasterelektronenmikroskop. Über die Öffnung (Pfeil) gelangen Wirkstoffe nach außen.
Foto: Jichuan Qiu / Georgia Institute of Technology
Klassische Chemotherapien greifen alle Zellen im menschlichen Körper an – dementsprechend stark sind die Nebenwirkungen. Bei der zielgerichteten Therapie versuchen Forscher, diesen Nachteil zu umgehen. Materialwissenschaftler, Ärzte, Biologen und Chemiker entwickeln gemeinsam Transportvehikel, die zum Tumor gelangen. Erst vor Ort wird das Medikament freigesetzt, ohne den gesamten Körper zu belasten.
Deshalb sind Alternativen gefragt. Weltweit arbeiten Forscher an der Möglichkeit, Krebsmedikamente in Nanokugeln zu verpacken. Ihre Idee: Erst am Tumor setzen die Partikel Krebsmedikamente hochdosiert frei, ohne den gesamten Organismus zu belasten. Drei Arbeitsgruppen haben jetzt ihre Ergebnisse präsentiert.
Arzneistoff in Nano-Glaskugeln
Laut einer Studie des Georgia Institute of Technology, Atlanta, könnten sich winzige mit Arzneistoffen und einem speziellen temperaturempfindlichen Siegel gefüllte Kügelchen aus Siliciumdioxid eignen. Im Unterschied zu früheren Verfahren, im Experiment kamen beispielsweise Gold-Nanokäfige zum Einsatz, landen keine giftigen Materialien im Körper.
Für die Herstellung ihrer Nanopartikel fertigte Younan Xia zunächst miniaturisierte Kügelchen aus Polystyrol an. Ein Goldnanopartikel wurde in die Oberfläche eingebettet. Anschließend beschichtete das Team diese Formen mit Siliciumdioxid. Nur am Gold haftete das Material nicht. Sobald sie Polystyrol und Gold entfernt hatten, blieben hohle Kugeln mit einem Durchmesser von 200 Nanometern übrig – inklusive Öffnung.
Um die kleinen Vehikel zu befüllen, wurden sie lediglich in einer arzneistoffhaltigen Lösung eingeweicht und danach abgewaschen. An der Außenseite sollten sich keine Medikamente befinden. Als Verschluss verwendeten sie einen temperaturempfindlichen, biologisch abbaubaren Kunststoff. Dieser wurde eingefärbt, um später besonders gut thermische Energie zu absorbieren. Damit stand weiteren Untersuchungen nichts im Wege.
Erste Untersuchungen im Labor
Um den Freisetzungsmechanismus zu testen, legte Xia seine Nanokapseln in Wasser und verwendete einen Nahinfrarotlaser, um den Farbstoff im Siegel zu erwärmen. Dabei verfolgte er die Konzentration des freigesetzten Therapeutikums. Sein Test bestätigte, dass das Arzneimittel vor Einschalten des Lasers eingekapselt blieb. Die Nanokügelchen erwiesen sich als stabil. Erst wenn man sie einige Minuten erhitzte, gelangte der Wirkstoff in die umgebende Flüssigkeit. Je nach Größe der Öffnung entweichen die Medikamente schneller oder langsamer.
„Mit dieser neuen Methode könnten Infusionstherapien gezielt für manche Regionen des Körpers entwickelt und Nebenwirkungen umgangen werden, da ein Arzneimittel nur bei erhöhten Temperaturen freigesetzt wird“, sagt Younan Xia vom Georgia Institute of Technology. Manche Gewebe seien wärmer als andere. Sein Doktorand Jichuan Qiu ergänzt: „Dieses kontrollierte Freisetzungssystem ermöglicht es uns, die mit den meisten Chemotherapeutika verbundenen negativen Auswirkungen zu umgehen, indem wir das Medikament nur in einer Dosis freisetzen, die über dem toxischen Niveau an der erkrankten Stelle liegt.“
Wirkstoffe ins Nervensystem befördern
Jetzt müssen die Wirkstofffähren in Tierexperimenten getestet werden. Diesen wichtigen Schritt haben Wissenschaftler der University of California, Los Angeles, bereits vollzogen. Sie stellten aus einem eigens entwickelten Polymer, Methacryloyloxyethylphosphorylcholin genannt, Kügelchen her, die nur einen Nanometer als Durchmesser hatten. Schon bei der Produktion wurden ihre Partikel mit dem Krebsmedikament Rituximab befüllt.
Als Modell kamen Mäuse, mit einem menschlichen B-Zell-Lymphom zum Einsatz: einer Erkrankung der Lymphknoten. Dieser Krebs hatte bei den Versuchstieren bereits gestreut. Metastasen waren im zentralen Nervensystem zu finden. Die Wissenschaftler verfolgten, wie die Tumore über einen Zeitraum von vier Monaten wuchsen oder schrumpften. Aufgrund ihrer geringen Größe gelangten Nanoteilchen durch die Blut-Hirn-Schranke: eine Barriere zwischen dem Nervensystem und dem restlichen Organismus. Tatsächlich reichte eine einzige Gabe des innovativen Therapeutikums aus, um bei Nagern alle Metastasen zu eliminieren.
Metastasen in Lymphknoten attackieren
Ein Team um Jing Liu von der University of Science and Technology of China verfolgte ähnliche Ziele mit Metastasen in Lymphknoten. Sie entwickelten spezielle Nanopartikel, „iCluster“ genannt, die über Blutbahnen bis zu Krebszellen wandern. In der sauren Umgebung eines Tumors sollen sie zerfallen und Zytostatika abgeben.
Um dies zu testen, arbeitete Liu mit Mäusen, die menschliche Tumore hatten. Er injizierten „iCluster“ mit einem Farbstoff und einem Medikament in die in die Blutbahn von Mäusen. Durch Fluoreszenzbildgebung konnte Liu nachweisen, dass Nanopartikel Krebszellen in Lymphknoten erreichen. Danach wurden die Tumorreste chirurgisch entfernt.
Etwa 40% der behandelten Mäuse waren 110 Tage später noch am Leben. Dies steht im Gegensatz zu den unbehandelten Mäusen – alle starben innerhalb von 51 Tagen nach der Operation. Ob sich die Therapieprinzipien für Menschen eignen, lässt sich derzeit noch nicht sagen. Klinische Studien sind geplant.
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