Nano-Waffen im Kampf gegen Krebs

Stellen Sie sich vor, Sie werden mit ein paar Besuchen bei Ihrem Arzt gegen Krebs behandelt. Er gibt Ihnen einfach eine Injektion und lässt dann ein paar Wochen später Infrarotlicht über Ihren Körper laufen, um krebstötende Mittel zu aktivieren und den Tumor zu entfernen. Klingt wie ein Roman von Ray Bradbury? Erzähl Naomi Halas das nicht. Sie ist Stanley-C.-Moore-Professorin für Elektro- und Computertechnik und Professorin für Chemie an der Rice University, und sie hat es sich mehr als vorgestellt – sie entwickelt das Verfahren seit 1997, als sie winzige Teilchen mit riesigem therapeutischem Potenzial erfand. Sie nennt sie Nanoschalen.

Nanoschalen sind mikroskopisch kleine konzentrische Kugeln mit Siliziumdioxidkernen und Goldschalen. Gold gibt Halas die thermische und optische Reaktion, die ihr Behandlungsprozess erfordert, und der Körper bildet keine Antikörper dagegen. Durch Variieren der Größe des Siliziumdioxidkerns und der Dicke des Goldes fand Halas heraus, dass sie die Nanoschalen so einstellen konnte, dass sie Licht unterschiedlicher Wellenlängen absorbierten. Für die Krebsbehandlung habe sich Infrarot am besten bewährt, weil es den Körper am weitesten durchdringe.

In Experimenten werden Nanoschalen in den Blutkreislauf eines Tieres injiziert, wo gezielte Wirkstoffe, die auf sie aufgetragen werden, die Oberflächenrezeptoren von Krebszellen suchen und an sie binden. Die Bestrahlung mit Infrarotlicht erhöhe die Temperatur der Zellen auf 55 Grad Celsius und verbrenne den Tumor, sagt sie.



Halas konzentriert ihre Forschung auf Brustkrebs. Sie hofft, dass sich Nanoschalen als praktikable Alternative zur Chemotherapie erweisen werden, die sowohl gesunde als auch kranke Zellen abtötet, was zu Nebenwirkungen wie Müdigkeit und Haarausfall führt. Nanoschalen hingegen töten nur Krebszellen.

Nanoschalen sind nur eine von mehreren faszinierenden Optionen für die Krebsdiagnose und -behandlung, die die Nanotechnologie ermöglicht. Miqin Zhang, Materialwissenschaftlerin an der University of Washington in Seattle, verwendet Nanopartikel ihrer eigenen Marke zur nichtinvasiven Diagnose und Behandlung von Hirntumoren. Sie nennt ihre Kreationen intelligente superparamagnetische Nanopartikel-Konjugate. Wenn diese Partikel in den Blutkreislauf injiziert werden, zielen diese Partikel mit Wirkstoffen, die als Liganden bekannt sind, auf die Zellrezeptoren von Tumoren.

Zhangs Nanopartikel bestehen aus Eisenoxid, das besonders magnetisch wird, wenn es in ein Magnetfeld gebracht wird, wie es für die Magnetresonanztomographie verwendet wird. Die Partikel verstärken daher das Signal, das Tumore während einer MRT aussenden, und machen sie in früheren Entwicklungsstadien leichter zu lokalisieren. Aber Nanopartikel müssen lange genug zirkulieren, um Tumorzellen zu lokalisieren. Zhang fand in frühen Studien heraus, dass sie schnell von Antikörpern, sogenannten Mikrophagen, angegriffen und neutralisiert wurden. Also hat sie sie mit einer Polymerbeschichtung modifiziert, die Mikrophagen widersteht. Sobald die Nanopartikel Tumore finden, setzen sie ein angehängtes Medikament namens Methotrexat frei, das die Zelle tötet.

Die Nanopartikel mit einem Durchmesser von weniger als 20 Nanometern müssen für ihre Arbeit getrennt bleiben. Aggregierte Nanopartikel werden für gesundes Gewebe giftig, erklärt Zhang. Die geringe Größe der Partikel und ihre Fähigkeit, Gewebe zu durchdringen, lassen sie die sogenannte Blut-Hirn-Schranke passieren und erreichen Hirntumore. Zhang sagt, dass dies der Schlüssel ist, da 98 Prozent der Krebsmedikamente dies nicht können.

Zhangs Kombination komplementärer Chemikalien macht Biopsien bei der Diagnose und Operationen bei der Behandlung überflüssig und hilft bei der Krebsfrüherkennung. Aber laut Mauro Ferrari, Professor für Biomedizintechnik an der Ohio State University und Spezialist für biomedizinische Anwendungen der Nanotechnologie, kann uns Zhangs Arbeit auch helfen, die anatomischen Konturen von Krebs besser zu erkennen. Und laut Zhang können Ärzte anhand der Konturen eines Tumors innerhalb von Tagen beurteilen, ob eine Krebstherapie beim Menschen wirksam ist oder nicht, anstatt wie bisher in drei Monaten.

Zhangs Forschung gibt uns auch Informationen über die molekulare Expression von Krebs und ihre zeitliche Entwicklung, fügt Ferrari hinzu. Ein entscheidendes Problem in der Krebsforschung sei, dass die Rezeptoren von Krebszellen in verschiedenen Entwicklungsstadien eine unterschiedliche molekulare Expression aufweisen; Aus diesem Grund können Krebszellen im Frühstadium leicht ein wirksames Medikament aufnehmen; bei Krebszellen im späteren Stadium ist die Aufnahme des Arzneimittels möglicherweise nicht erfolgreich. Zhangs Forschung, sagt er, könnte uns dabei helfen, die richtigen Medikamente zur richtigen Zeit an die richtigen Leute zu bringen.

Die Nanotechnologie liefert auch neue Instrumente zur Untersuchung von Krebs, die möglicherweise neue Erkenntnisse liefern. Adam T. Woolley, Assistenzprofessor für Chemie und Biochemie an der Brigham Young University, hat eine Methode zur Untersuchung von Mutationen in der DNA entwickelt, um die genetische Veranlagung einer Person für die Entwicklung von Krebs zu bestimmen. Er verwendet eine Technik namens Atomic Force Microscopy (AFM), eine nanoskalige Variation alter Plattenspieler - aber mit einer Nadelspitze von nur etwa 10 Nanometern Durchmesser. Woolley lagert zunächst DNA-Moleküle auf Silizium oder Glimmer ab, deren Oberflächen so flach sind, dass die DNA darüber hinausragt. Dann, erklärt er, benutzt er AFM, um die Topographie der DNA zu untersuchen, um die Positionen von Mutationen darin zu lokalisieren.

Der Größenunterschied zwischen den nativen und mutierten DNA-Sequenzen ist extrem gering – etwa ein Zehntel Nanometer – was an der Grenze dessen liegt, was das AFM sehen kann, sagt Woolley. Also verwendet er Gold-Nanopartikel von etwa 10 Nanometern, um die Positionen der Mutationen zu markieren – auf diese Weise kann AFM sie leicht sehen. Durch die Untersuchung der DNA auf dieser Ebene kann Woolley feststellen, ob eine Doppelmutation auftritt, die ein größeres genetisches Krebsrisiko darstellen kann als eine einzelne. Herkömmliche Techniken zur Untersuchung von Chromosomen können solche Informationen nicht bestimmen. Woolleys Arbeit habe großes diagnostisches Potenzial, sagt Ferrari; Die Identifizierung der genetischen Marker für Krebs könnte eine Prävention ermöglichen, bevor sich die erste Tumorzelle überhaupt bildet.

Aufgrund ihrer praktischen Bedeutung für die Krebsbekämpfung hat diese Forschung die Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft im Allgemeinen auf sich gezogen. Robert S. Langer, Kenneth J. Germeshausen Professor of Chemical and Biomedical Engineering am MIT, ist besonders beeindruckt von Halas‘ Nanoschalen. Sie seien ein sehr schönes Beispiel für die Anwendung der Materialwissenschaften auf wichtige medizinische Probleme, sagt er, und sie haben viel spannendes Potenzial. Rick Kenyon, Programmmanager des Brustkrebsforschungsprogramms des US-Verteidigungsministeriums, finanziert die Forschung von Halas, weil Nanoschalen seiner Meinung nach eine frühere Erkennung und Zerstörung von Krebszellen ermöglichen – genau das, wonach alle auf dem Gebiet der Krebsforschung suchen Pro.

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