Nanoforschung

Polyvalente Zwerge

Nanopartikel sind winzig klein, haben aber ein grosses medizinisches Potenzial, wie Beatrice Beck Schimmer, Professorin für Anästhesiologie an der UZH, herausgefunden hat. Sie erforscht den Nutzen der kleinen Teilchen etwa für die Blutreinigung oder zur Bekämpfung von Tumoren.  

Thomas Gull

Setzt auf das enorme Potenzial der Nanopartikel in der Medizin: Beatrice Beck Schimmer, Professorin für Anästhesiologie. (Bild: Stefan Walter)

Das erste Experiment war relativ einfach: Die Ärztin Beatrice Beck Schimmer gab etwas von ihrem eigenen Blut in ein Reagenzglas, fügte magnetische Nanopartikel hinzu, vermischte diese mit dem Blut und sammelte sie dann mit einem Magneten wieder ein. Das Experiment funktionierte – wie die nachträgliche Analyse des Blutes zeigte, blieben nur sehr wenige Nanopartikel im Reagenzglas zurück.

Das einfache Verfahren eröffnet verblüffende medizinische Möglichkeiten. Die magnetischen Nanopartikel könnten etwa dafür eingesetzt werden, Blut zu reinigen oder Tumoren gezielt zu bekämpfen. Nanopartikel sind sehr klein – die Grösse der Teilchen liegt zwischen einem und 100 Nanometern. Die Partikel, mit denen Beatrice Beck Schimmer arbeitet – magnetische Nanopartikel mit einem Eisenkern, beschichtet mit Kohlenstoff – sind rund 30 Nanometer gross und damit für das menschliche Auge nicht sichtbar, ausser sie bilden Haufen.

Als Grössenvergleich kann man sich das Verhältnis eines Nanopartikels zu einem Fussball vor Augen führen: Wenn man einen Fussball neben die Erdkugel legt, so sind die Grössenverhältnisse etwa gleich wie zwischen einem Nanopartikel und dem Fussball.

Mit Wirkstoffen bestücken

Obwohl Nanopartikel so winzig sind, haben sie mit ihrer grossen Oberfläche enormes Potenzial – sie sind vielseitig einsetzbar und können fast beliebig mit Wirkstoffen bestückt werden: Mit Hilfe der Partikel ist es unter anderem möglich, Krankheitserreger aus dem Blut zu eliminieren oder Medikamente gezielt an einen Ort im Körper zu bringen. Beide Verfahren werden von Beck Schimmer, die als Anästhesistin am Universitätsspital Zürich arbeitet, und ihrem Team exploriert. Dabei geht es nicht nur darum, die Chancen zu evaluieren, die der medizinische Einsatz von Nanopartikeln bietet, sondern auch die Risiken abzuklären.

Nanoteilchen im Körper

Denn Nanopartikel sind so etwas wie eine Medaille mit zwei Seiten: Die eine glänzt verheissungsvoll, die andere ist patiniert – man kann nicht erkennen, was sie unter dem Firnis verbirgt. Wegen ihrer geringen Grösse können die Partikel über die Haut, die Atemwege oder den Magen- Darm-Trakt in den Körper eindringen und sich dort über den Blutkreislauf verteilen. Was diese Partikel im Körper bewirken, ist bis heute kaum bekannt. Es wäre möglich, dass sie akute oder chronische Entzündungen auslösen oder zur Bildung von Tumoren führen. Im Blutkreislauf zirkulierend könnten sie ausserdem die Blut-Hirn-Schranke überwinden und damit ins Gehirn gelangen.

Beck Schimmer sagt dazu: «Wenn die Oberfläche der Partikel ungünstig aktiv wird und mit Körpersubstanzen interagiert, kann dies zu Problemen führen.» Gleichzeitig relativiert sie jedoch die Gefahr: «Unsere Partikel bestehen hauptsächlich aus Eisen und Kohlenstoff. Diese Elemente sind im Körper natürlich vorhanden und deshalb nicht toxisch.»

Experimente mit massgeschneiderten Partikeln

Die magnetischen Nanoteilchen werden hergestellt, indem eisenhaltiges Öl zerstäubt und in einer Box aus Sauerstoff verbrannt wird. Der Russ besteht aus stark magnetischen Nanoteilchen. Da diese sofort rosten würden, werden sie  mit Kohlenstoff in der Form von Grafit beschichtet. Im Rahmen des Nationalen Forschungsprogramms NFP 64 des Schweizerischen Nationalfonds zu Chancen und Risiken von Nanopartikeln erforscht Beck Schimmer, welche Chancen der Einsatz von Nanoteilchen bietet. «Mit unserem Partner Wendelin Stark, Professor für Materialwissenschaften an der ETH Zürich, der in seinem Labor schon seit längerer Zeit magnetische Nanoteilchen herstellt, haben wir uns überlegt, auf welche Weise diese polyvalenten Zwerge medizinisch eingesetzt werden könnten», erzählt sie. Schliesslich legte man sich auf die beiden Gebiete Blutreinigung und gezielter Einsatz von Medikamenten fest, die gemeinsam erforscht werden sollten. Dabei liefert Stark die massgeschneiderten magnetischen Partikel, und Beck Schimmer führt die Experimente im Labor durch.

Nanopartikel aus dem Blut extrahieren

Wie sich nach vierjähriger gemeinsamer Arbeit zeigt, sind beide Forschungsgebiete vielversprechend. «Die Blutreinigung ist allerdings einfacher und mit weniger Risiken behaftet, weil sie ausserhalb des Körpers stattfindet», sagt Beck Schimmer. Für die Blutreinigung wurde das bereits geschilderte Grundlagenexperiment weiterentwickelt. Es ging vor allem darum, festzustellen, ob im Blut vorhandene Nanopartikel mit einem Magneten restlos extrahiert werden können. Wie sich in mehreren Versuchsmodellen zeigte, wird der Grossteil der Partikel wieder eingefangen. Falls sich die positiven Befunde bestätigen, bedeutet dies, dass der Einsatz von magnetischen Nanopartikeln für diese medizinische Anwendung kaum Gesundheitsrisiken birgt. Das würde den Weg für klinische Studien am Menschen öffnen. Beck Schimmer hofft, dass es in etwa fünf Jahren so weit sein wird.

Medikamentenabgabe mit Nanopartikeln

Anspruchsvoller als die Blutreinigung ist die so genannte gezielte Medikamentenabgabe (Targeted Drug Delivery) mittels magnetischer Nanopartikel. Dabei werden die Partikel mit einem Wirkstoff, beispielsweise einem Krebsmedikament, bestückt. Ein Magnet, der über den Tumor gelegt wird, lenkt die Nanopartikel zu diesem, und das Medikament entfaltet seine Wirkung dort. Der Vorteil dieser Strategie im Vergleich zur herkömmlichen Chemotherapie ist, dass nicht das ganze Immunsystem angegriffen wird, sondern gezielt nur die Krebszellen. Damit könnte die Wirkung verbessert und die Nebenwirkungen verringert werden. Die Resultate im Tiermodell sehen vielversprechend aus.

«Eine gezielte Medikamentenabgabe sollte mit dieser Art von Nanopartikeln grundsätzlich möglich sein. Wenn wir aber weitergehen wollen, müssen wir in Zusammenarbeit mit Onkologen und Radiologen wichtige Details genauer anschauen», sagt Beck Schimmer. Im Gegensatz zur Blutreinigung ist diese Methode noch weit vom klinischen Einsatz entfernt. Der Grund dafür ist, dass Nanopartikel in den Körper gebracht werden. Was passiert dort mit ihnen, welche Reaktionen lösen sie aus? Beck Schimmer: «Nanopartikel im Gefässsystem könnten Blutzellen aktivieren oder die Blutgerinnung beeinträchtigen, was beispielsweise zu einer Thrombose führen könnte. Deshalb haben wir uns gesagt: bevor wir weiter an den Chancen arbeiten, müssen wir zuerst die Risiken analysieren.»

Vor- und Nachteile abwägen

Auf Grund der bisherigen Studien ist Beck Schimmer jedoch zuversichtlich, dass die magnetischen Nanopartikel in Zukunft für die Blutreinigung und die gezielte Abgabe von Medikamenten im Körper eingesetzt werden können. Dass dies völlig ohne Nebenwirkungen geschehen kann, will sie aber nicht versprechen. «Es ist illusorisch, zu glauben, dass ein Medikament keine Nebenwirkungen auslöst. Es wird darum gehen, Vor- und Nachteile gegeneinander abzuwägen.»

Thomas Gull ist Redaktor des «Magazins» der UZH.

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