Nanotechnologie in der Medizin: Riesiges Potenzial, aber was sind die Risiken?

Nanotechnologie, die Manipulation von Materie auf atomarer und molekularer Ebene, um Materialien mit bemerkenswert vielfältigen und neuen Eigenschaften zu schaffen, ist ein schnell expandierender Bereich der Forschung mit großem Potenzial in vielen Bereichen, von der Gesundheitsversorgung bis hin zu Bau und Elektronik. In der Medizin verspricht sie, die Verabreichung von Medikamenten, die Gentherapie, die Diagnostik und viele Bereiche der Forschung, Entwicklung und klinischen Anwendung zu revolutionieren.

Dieser Artikel versucht nicht, das gesamte Feld abzudecken, sondern bietet anhand einiger Beispiele einen Einblick, wie die Nanotechnologie das Potenzial hat, die Medizin zu verändern, sowohl im Forschungslabor als auch im klinischen Bereich, und berührt gleichzeitig einige der Herausforderungen und Bedenken, die sie aufwirft.

Was ist Nanotechnologie?

Die Vorsilbe „nano“ stammt aus dem Altgriechischen und bedeutet „Zwerg“. In der Wissenschaft bedeutet es ein Milliardstel (10 minus 9) von etwas, also ist ein Nanometer (nm) ein Milliardstel eines Meters, oder 0,000000001 Meter. Ein Nanometer ist etwa drei bis fünf Atome breit, also etwa 40.000 Mal kleiner als die Dicke eines menschlichen Haares. Ein Virus hat typischerweise eine Größe von 100 nm.

Die Möglichkeit, Strukturen und Eigenschaften auf der Nanoskala in der Medizin zu manipulieren, ist wie ein submikroskopischer Labortisch, auf dem man mit einer Reihe von winzigen Werkzeugen, Robotern und Röhren Zellbestandteile, Viren oder DNA-Stücke bearbeiten kann.

Manipulation der DNA

Therapien, bei denen einzelne Gene oder die molekularen Bahnen, die ihre Expression beeinflussen, manipuliert werden, werden zunehmend als Option zur Behandlung von Krankheiten untersucht. Ein hochgestecktes Ziel in diesem Bereich ist die Möglichkeit, Behandlungen auf die genetische Ausstattung des einzelnen Patienten abzustimmen.

Dies schafft einen Bedarf an Werkzeugen, die Wissenschaftlern helfen, solche Behandlungen zu erproben und zu entwickeln.

Stellen Sie sich zum Beispiel vor, dass Sie einen Abschnitt der DNA wie einen Spaghettistrang ausdehnen können, um ihn zu untersuchen oder zu operieren, oder dass Sie Nanoroboter bauen können, die „laufen“ und Reparaturen innerhalb von Zellbestandteilen durchführen können. Die Nanotechnologie bringt diesen wissenschaftlichen Traum näher an die Realität.

So ist es Wissenschaftlern an der Australian National University gelungen, beschichtete Latexkügelchen an den Enden modifizierter DNA zu befestigen und dann mit Hilfe einer „optischen Falle“, die aus einem fokussierten Lichtstrahl besteht, um die Kügelchen an Ort und Stelle zu halten, den DNA-Strang zu strecken, um die Interaktionen bestimmter Bindungsproteine zu untersuchen.

Nanobots und Nanostars

Inzwischen haben Chemiker an der New York University (NYU) einen nanoskaligen Roboter aus DNA-Fragmenten geschaffen, der auf zwei nur 10 nm langen Beinen läuft. In einer 2004 in der Zeitschrift Nano Letters veröffentlichten Arbeit beschreiben sie, wie ihr „Nanowalker“ mit Hilfe von Psoralen-Molekülen, die an den Enden seiner Füße befestigt sind, seine ersten Babyschritte macht: zwei vorwärts und zwei zurück.

Einer der Forscher, Ned Seeman, sagte, er stelle sich vor, dass es möglich sein wird, eine Produktionslinie im Molekülmaßstab zu schaffen, bei der man ein Molekül entlangbewegt, bis die richtige Stelle erreicht ist, und ein Nanoroboter ein bisschen Chemie daran macht, ähnlich wie beim „Punktschweißen“ auf einem Autofließband. Seemans Labor an der NYU will die DNA-Nanotechnologie auch nutzen, um einen Biochip-Computer zu bauen und um herauszufinden, wie biologische Moleküle kristallisieren – ein Gebiet, das derzeit noch mit vielen Herausforderungen verbunden ist.

Die Arbeit, die Seeman und seine Kollegen leisten, ist ein gutes Beispiel für „Biomimetik“, bei der sie mit Hilfe der Nanotechnologie einige biologische Prozesse in der Natur nachahmen können, wie z. B. das Verhalten der DNA, um neue Methoden zu entwickeln und vielleicht sogar zu verbessern.

DNA-basierte Nanoroboter werden auch entwickelt, um Krebszellen zu bekämpfen. So berichteten Forscher der Harvard Medical School in den USA kürzlich in Science, wie sie einen „Origami-Nanoroboter“ aus DNA herstellten, um eine molekulare Nutzlast zu transportieren. Der tonnenförmige Nanoroboter kann Moleküle transportieren, die Anweisungen enthalten, die Zellen dazu bringen, sich auf eine bestimmte Weise zu verhalten. In ihrer Studie demonstriert das Team erfolgreich, wie es Moleküle lieferte, die in Leukämie- und Lymphomzellen Zellselbstmord auslösen.

Nanobots aus anderen Materialien sind ebenfalls in der Entwicklung. Zum Beispiel ist Gold das Material, das Wissenschaftler der Northwestern University verwenden, um „Nanostars“ herzustellen, einfache, spezialisierte, sternförmige Nanopartikel, die href=“http://www.medicalnewstoday.com/articles/243856.php“>Wirkstoffe direkt in die Kerne von Krebszellen bringen können. In einem kürzlich in der Fachzeitschrift ACS Nano erschienenen Artikel beschreiben sie, wie sich mit Medikamenten beladene Nanostars wie winzige Anhalter verhalten, die, nachdem sie von einem überexprimierten Protein auf der Oberfläche menschlicher Gebärmutterhals- und Eierstockkrebszellen angezogen wurden, ihre Nutzlast direkt in die Kerne dieser Zellen absetzen.

Die Forscher fanden heraus, dass die Form des Nanoroboters in Form eines Sterns dazu beiträgt, eine der Herausforderungen bei der Verwendung von Nanopartikeln zur Verabreichung von Medikamenten zu überwinden: die präzise Freisetzung der Medikamente. Sie sagen, dass die Form hilft, die Lichtpulse, die zur Freisetzung der Medikamente verwendet werden, genau auf die Punkte des Sterns zu konzentrieren.

Nanofabriken zur Herstellung von Medikamenten in Situ

Wissenschaftler entdecken, dass Medikamente auf Proteinbasis sehr nützlich sind, weil sie so programmiert werden können, dass sie spezifische Signale an Zellen liefern. Das Problem bei der konventionellen Verabreichung solcher Medikamente ist jedoch, dass der Körper die meisten von ihnen abbaut, bevor sie ihr Ziel erreichen.

Was aber, wenn es möglich wäre, solche Medikamente in situ, direkt am Zielort, herzustellen? In einer aktuellen Ausgabe der Nano Letters zeigen Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA, wie genau das möglich sein könnte. In ihrer Proof-of-Principle-Studie demonstrieren sie die Machbarkeit von sich selbst zusammensetzenden „Nanofabriken“, die bei Bedarf Proteinverbindungen am Zielort herstellen. Bisher haben sie die Idee an Mäusen getestet, indem sie Nanopartikel herstellten, die so programmiert sind, dass sie entweder grün fluoreszierendes Protein (GFP) oder Luciferase unter UV-Licht produzieren.

Das MIT-Team kam auf die Idee, als es nach einer Möglichkeit suchte, metastatische Tumore anzugreifen, d.h. solche, die aus Krebszellen wachsen, die vom ursprünglichen Ort in andere Teile des Körpers gewandert sind. Über 90 % der Krebstodesfälle sind auf metastasierenden Krebs zurückzuführen. Sie arbeiten jetzt an Nanopartikeln, die potenzielle Krebsmedikamente synthetisieren können, und auch an anderen Möglichkeiten, sie einzuschalten.

Nanofasern

Nanofasern sind Fasern mit Durchmessern von weniger als 1.000 nm. Zu den medizinischen Anwendungen gehören spezielle Materialien für Wundauflagen und chirurgische Textilien, Materialien für Implantate, Tissue Engineering und künstliche Organteile.

Nanofasern aus Kohlenstoff sind auch vielversprechend für die medizinische Bildgebung und präzise wissenschaftliche Messwerkzeuge. Aber es gibt große Herausforderungen zu überwinden, eine der wichtigsten ist, wie man sie konsistent in der richtigen Größe herstellen kann. In der Vergangenheit war dies kostspielig und zeitaufwendig.

Letztes Jahr haben Forscher der North Carolina State University jedoch eine neue Methode zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanofasern in bestimmten Größen entwickelt. In der Fachzeitschrift ACS Applied Materials & Interfaces vom März 2011 beschreiben sie, wie es ihnen gelang, Kohlenstoff-Nanofasern mit einheitlichem Durchmesser zu züchten, indem sie Nickel-Nanopartikel verwendeten, die mit einer Hülle aus Liganden beschichtet sind, kleinen organischen Molekülen mit funktionellen Anteilen, die direkt an Metalle binden.

Nickel-Nanopartikel sind besonders interessant, weil sie bei hohen Temperaturen das Wachstum von Kohlenstoff-Nanofasern unterstützen. Die Forscher fanden noch einen weiteren Vorteil bei der Verwendung dieser Nanopartikel heraus: Sie konnten definieren, wo die Nanofasern wachsen, und durch die richtige Platzierung der Nanopartikel konnten sie die Nanofasern in einem gewünschten spezifischen Muster wachsen lassen: eine wichtige Eigenschaft für nützliche nanoskalige Materialien.

Blei ist eine weitere Substanz, die als Nanofaser Verwendung findet, und zwar so sehr, dass der angehende Neurochirurg Matthew MacEwan, der an der Washington University School of Medicine in St. Louis studiert, sein eigenes Unternehmen für Nanomedizin gegründet hat, das darauf abzielt, das chirurgische Netz zu revolutionieren, das weltweit in Operationssälen verwendet wird.

Das Hauptprodukt ist ein synthetisches Polymer, das aus einzelnen Strängen von Nanofasern besteht. Es wurde entwickelt, um Verletzungen des Gehirns und des Rückenmarks zu reparieren, aber MacEwan glaubt, dass es auch zum Flicken von Leistenbrüchen, Fisteln und anderen Verletzungen verwendet werden könnte.

Derzeit sind die chirurgischen Netze, die zur Reparatur der schützenden Membran, die das Gehirn und das Rückenmark bedeckt, verwendet werden, aus dickem und steifem Material, das schwer zu verarbeiten ist. Das Nanofaser-Netz aus Blei ist dünner, flexibler und kann sich besser mit dem körpereigenen Gewebe verbinden, sagt MacEwan. Jeder Faden des Nanofasernetzes ist tausendmal kleiner als der Durchmesser einer einzelnen Zelle. Die Idee ist, mit dem Nanofaser-Material nicht nur den Chirurgen die Operationen zu erleichtern, sondern auch den Patienten weniger Komplikationen nach der Operation zu bereiten, da es sich mit der Zeit auf natürliche Weise abbaut.

Forscher am Polytechnischen Institut der Universität New York (NYU-Poly) haben kürzlich eine neue Methode zur Herstellung von Nanofasern aus Proteinen demonstriert. In der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials schreiben die Forscher, dass sie fast zufällig auf ihre Entdeckung gestoßen sind: Sie untersuchten bestimmte zylinderförmige Proteine, die aus Knorpel stammen, als sie bemerkten, dass sich einige der Proteine in hohen Konzentrationen spontan zusammenfügten und sich selbst zu Nanofasern zusammensetzten.

Sie führten weitere Experimente durch, wie z. B. die Zugabe von metallerkennenden Aminosäuren und verschiedenen Metallen, und fanden heraus, dass sie die Faserbildung kontrollieren, ihre Form verändern und wie sie an kleine Moleküle binden konnten. Zum Beispiel verwandelte die Zugabe von Nickel die Fasern in verklumpte Matten, die verwendet werden könnten, um die Freisetzung eines angehängten Medikamentenmoleküls auszulösen.

Die Forscher hoffen, dass diese neue Methode die Freisetzung von Medikamenten zur Behandlung von Krebs, Herzerkrankungen und Alzheimer erheblich verbessern wird. Sie sehen auch Anwendungen in der Regeneration von menschlichem Gewebe, Knochen und Knorpel, und sogar als eine Möglichkeit, winzigere und leistungsfähigere Mikroprozessoren für den Einsatz in Computern und Unterhaltungselektronik zu entwickeln.

Eine schematische Illustration, die zeigt, wie Nanopartikel oder andere Krebsmedikamente zur Behandlung von Krebs eingesetzt werden könnten. Diese Illustration wurde für das Opensource Handbook of Nanoscience and Nanotechnologyerstellt

Wie sieht es mit der Zukunft und den Bedenken im Zusammenhang mit Nanomaterialien aus?

In den letzten Jahren ist die Zahl der Studien, die die Vielfalt der medizinischen Anwendungen von Nanotechnologie und Nanomaterialien zeigen, explosionsartig angestiegen. In diesem Artikel haben wir nur einen kleinen Querschnitt dieses riesigen Feldes aufgezeigt. In allen Bereichen gibt es jedoch beträchtliche Herausforderungen, von denen die größte darin zu bestehen scheint, wie die Produktion von Materialien und Werkzeugen skaliert werden kann und wie Kosten und Zeitrahmen gesenkt werden können.

Eine weitere Herausforderung ist, wie man schnell das Vertrauen der Öffentlichkeit in die Sicherheit dieser schnell wachsenden Technologie gewinnen kann. Und bis jetzt ist nicht klar, ob dies auch geschieht.

Es gibt Stimmen, die behaupten, dass die Bedenken gegenüber der Nanotechnologie übertrieben sind. Sie verweisen auf die Tatsache, dass nur weil ein Material nanoskalig ist, dies nicht bedeutet, dass es gefährlich ist. In der Tat gibt es Nanopartikel schon seit der Geburt der Erde, sie kommen zum Beispiel in Vulkanasche und Meeresgischt vor. Als Nebenprodukte menschlicher Aktivitäten sind sie seit der Steinzeit in Rauch und Ruß vorhanden.

Von den Versuchen, die Sicherheit von Nanomaterialien zu untersuchen, sagt das National Cancer Institute in den USA, dass so viele Nanopartikel natürlich in der Umwelt vorkommen, dass sie „oft in einer Größenordnung höher sind als die bewerteten künstlichen Partikel“. In vielerlei Hinsicht sind die meisten künstlichen Nanopartikel weitaus weniger giftig als Haushaltsreiniger, Insektizide für Haustiere und frei verkäufliche Schuppenmittel“, so das Institut, und dass sie zum Beispiel als Träger von Chemotherapeutika in der Krebsbehandlung weitaus weniger giftig sind als die Medikamente, die sie tragen.

Die größte Verbreitung von Nanomaterialien auf kommerzieller Ebene haben wir vielleicht eher im Lebensmittelbereich gesehen. Obwohl die Anzahl der Lebensmittel, die Nanomaterialien enthalten, noch gering ist, scheint sich dies in den nächsten Jahren mit der Weiterentwicklung der Technologie zu ändern. Nanomaterialien werden bereits eingesetzt, um den Fett- und Zuckergehalt zu senken, ohne den Geschmack zu verändern, oder um die Verpackung zu verbessern, damit die Lebensmittel länger frisch bleiben, oder um den Verbrauchern mitzuteilen, wenn die Lebensmittel verdorben sind. Sie werden auch eingesetzt, um die Bioverfügbarkeit von Nährstoffen zu erhöhen (zum Beispiel in Nahrungsergänzungsmitteln).

Es gibt aber auch besorgte Stimmen, die darauf hinweisen, dass, während das Tempo der Forschung zunimmt und der Markt für Nanomaterialien wächst, offenbar nicht genug getan wird, um ihre toxikologischen Folgen zu erforschen.

Diese Ansicht vertrat ein Wissenschafts- und Technologieausschuss des Oberhauses des britischen Parlaments, der in einem kürzlich erschienenen Bericht über Nanotechnologie und Lebensmittel mehrere Bedenken über Nanomaterialien und die menschliche Gesundheit äußerte, insbesondere das Risiko, das von verschluckten Nanomaterialien ausgeht.

Ein Bereich, der das Komitee beunruhigt, ist zum Beispiel die Größe und außergewöhnliche Mobilität von Nanopartikeln: Sie sind klein genug, um bei Einnahme die Zellmembranen der Darmschleimhaut zu durchdringen, mit dem Potenzial, in das Gehirn und andere Teile des Körpers und sogar in die Zellkerne zu gelangen.

Ein weiteres Problem ist die Löslichkeit und Persistenz von Nanomaterialien. Was passiert zum Beispiel mit unlöslichen Nanopartikeln? Wenn sie nicht aufgespalten und verdaut oder abgebaut werden können, besteht dann die Gefahr, dass sie sich anreichern und Organe schädigen? Nanomaterialien, die aus anorganischen Metalloxiden und Metallen bestehen, gelten in diesem Bereich als am ehesten risikobehaftet.

Außerdem sind Nanopartikel aufgrund ihrer großen Oberfläche im Verhältnis zur Masse sehr reaktionsfreudig und können z. B. noch unbekannte chemische Reaktionen auslösen oder durch die Bindung an Giftstoffe in Zellen eindringen, zu denen sie sonst keinen Zugang hätten.

So schaffen Nanomaterialien mit ihrer großen Oberfläche, Reaktivität und elektrischen Ladung die Voraussetzungen für das, was man als „Partikelaggregation“ durch physikalische Kräfte und „Partikelagglomeration“ durch chemische Kräfte bezeichnet, so dass sich einzelne Nanopartikel zu größeren zusammenschließen. Dies kann nicht nur zu dramatisch größeren Partikeln führen, zum Beispiel im Darm und im Inneren von Zellen, sondern auch zu einer Desaggregation von Klumpen von Nanopartikeln, was deren physikochemische Eigenschaften und chemische Reaktivität radikal verändern könnte.

„Solche reversiblen Phänomene machen es noch schwieriger, das Verhalten und die Toxikologie von Nanomaterialien zu verstehen“, sagt das Komitee, dessen allgemeine Schlussfolgerung lautet, dass weder die Regierung noch die Forschungsräte der Erforschung der Sicherheit der Nanotechnologie genügend Priorität einräumen, insbesondere „wenn man den Zeitrahmen bedenkt, innerhalb dessen Produkte, die Nanomaterialien enthalten, entwickelt werden können“.

Sie empfehlen, dass viel mehr Forschung nötig ist, um „sicherzustellen, dass die Regulierungsbehörden die Sicherheit von Produkten effektiv bewerten können, bevor sie auf den Markt kommen“.

Es scheint also, dass das potenzielle Risiko, das die Nanotechnologie für die menschliche Gesundheit darstellt, untersucht werden muss, unabhängig davon, ob es tatsächlich oder vermeintlich besteht. Die meisten Nanomaterialien werden sich, wie das NCI andeutet, wahrscheinlich als harmlos erweisen.

Aber wenn eine Technologie schnell voranschreitet, muss das Wissen und die Kommunikation über ihre Sicherheit Schritt halten, damit sie davon profitieren kann, vor allem, wenn sie auch das Vertrauen der Öffentlichkeit gewinnen soll. Wir müssen uns nur ansehen, was mit gentechnisch veränderten Lebensmitteln geschah und zum Teil noch geschieht, um zu sehen, wie sehr das schief gehen kann.

Geschrieben von Catharine Paddock PhD