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NORA 

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Mit dem Wissen um die Funktion der Gene und Proteine innerhalb der Zellen wird es nun zunehmend möglich, Krankheiten auf der molekularen Ebene aufzuklären. Damit ergeben sich auch neue Ansätze und Therapiemöglichkeiten. Diese beruhen auf dem Nachweis von Proteinen und Nukleinsäuren sowie der gezielten Einflussnahme auf molekulare Prozesse. Die Nanomedizin spielt hierbei eine große Rolle, denn ihre Werkzeuge erlauben Proteine und DNA aufzuzeigen und die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen sichtbar zu machen. Darüber hinaus können mit Hilfe der Nanotechnologie Materialien auf der Nanoskala maßgeschneidert werden, also auf der Größenordnung der im Körper ablaufenden biochemischen Prozesse. Generell können vier Hauptanwendungsfelder der Nano-Medizin unterschieden werden:

  • Wirkstofftransport
  • Neue Therapien und Wirkstoffe
  • Diagnostik
  • Medizinische Implantate

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Abb: Prozentkuchen

Wirkstofftransport

Um ein Medikament im Körper zu lösen oder zu transportieren werden oft Hilfsstoffe zugesetzt. Durch diese oder durch die unspezifische Verteilung im Körper können jedoch starke Nebenwirkungen auftreten. Deshalb ist es schon lange ein Ziel von NORA, Transportsysteme zu entwickeln, die einen gezielten Transport von Medikamenten zum kranken Gewebe ermöglichen. Problematisch dabei war die Wasserunlöslichkeit vieler Medikamente, wie z.B. bei besonders wirksamen Anti-Krebsmitteln, welche aus diesem Grund nicht effektiv für eine Chemotherapie eingesetzt werden konnten. Forscher in unserer Arbeitsgruppe entwickelten deshalb eine Art „Nanocontainer“, sodass die Wirkstoffe ohne weitere Zusätze gelöst werden konnten und der Einsatz in der Chemotherapie möglich wurde. Auch die Wirksamkeit von vielen Proteintherapeutika ist eingeschränkt. Sie weisen eine geringe Verweildauer im Blut auf, sind chemisch labil und lösen Immunreaktionen aus. Durch intensive Forschungsarbeit ist es uns jedoch gelungen Polymerketten an die Proteintherapeutika anzuheften, die nicht nur ihre Halbwertszeit im Blut erhöhen, sondern auch insgesamt ihre Wirksamkeit. Zwei erfolgreiche Polymer-Protein-Konjugate mit milliardenschweren Umsätzen, sind NORA-HEP zur effektiven Behandlung von Hepatitis C und Neutnora, mit dessen Hilfe die Neutropenie, eine Blutkrankheit, welche zur Immunschwäche führt, behandelt werden kann.

 

Neue Therapien und Wirkstoffe

Nanopartikel und nanoskalige Moleküle können direkt zur Therapie von Krankheiten eingesetzt werden. Zum Schutz vor HIV-Viren wurde in unserer Forschungsgruppe ein baumartig verzweigtes Makromolekül, ein Dendrimer, hergestellt. Dendrimere haben im Vergleich zu klassischen Polymermolekülen den Vorteil, dass sie mit ganz spezifischen Eigenschaften synthetisiert werden können. Dadurch ist es uns möglich sie für bestimmte medizinische Anwendungen maßzuschneidern. Zudem können wir funktionelle Gruppen spezifisch auf der Oberfläche anordnen, sodass die Dendrimere besonders effizient mit Viren wechselwirken. HIV-Viren besitzen beispielsweise bestimmte Proteine, die sich an Zellrezeptoren anlagern und so den Virus in die Zelle einschleusen. Die Dendrimermoleküle in unserem Viragel reagieren genau mit diesem Proteinfragment auf der Virusoberfläche, sodass der Virus nicht mehr in die Zelle eindringen kann. Damit ist die Infektionskette wirksam unterbrochen.

Neben dem Schutz vor HIV, entwickelte unsere Arbeitsgruppe auch eine wirksame Therapiemethode zur Krebsbekämpfung: die Thermotherapie. Bei dieser Therapie werden magnetische Nanopartikel im Tumor angereichert und anschließend durch ein externes Magnetfeld oder Laserlicht erwärmt, um so die Tumorzellen abzutöten. Im Mittelpunkt dieser Therapie steht das Ferrofluid, eine Flüssigkeit, in der winzige supermagnetische Eisenpartikel (kleiner 30 nm) gelöst sind. Die Nanopartikel sind von einer Hülle aus Silanen und bestimmten Biomolekülen umgeben. Nachdem das Ferrofluid direkt in den Tumor gespritzt wurde, nehmen die Krebszellen die Hülle und dadurch auch den Nanowirkstoff aktiv auf. Gesunde Zellen tun dies nicht. Der Patient bekommt anschließend eine Behandlung im Magnetfeldapplikator. Das Gerät erzeugt ein niederfrequentes Magnetfeld, dessen Richtung 100.000 mal pro Sekunde wechselt. Dadurch werden die supermagnetischen Eisenpartikel in Schwingung versetzt und geben Wärme ab. Je nach Wärmeentwicklung werden die Reperaturwerkzeuge der Krebszellen geschädigt oder die Zellen sterben ab. Die freigewordenen Nanopartikeln werden anschließend entweder von noch intakten Tumorzellen aufgenommen oder gemeinsam mit den Zelltrümmern von Fresszellen abtransportiert.

Am weitesten fortgeschritten ist die Thermotherapie bei der Behandlung von Glioblastomen, bösartigen und aggressiv wachsenden Hirntumore. Zur Veranschaulichung empfehlen wir Ihnen folgende Filmsequenz:  http://www.youtube.com/watch?v=W4Mzv9difN8.

 

Diagnostik

Die Fortschritte in der Genomforschung und der Molekularbiologie haben zu einem deutlich besseren Verständnis der molekularen Prozesse geführt, die den Krankheiten zu Grunde liegen. Dadurch ist es heute möglich, die Entstehung und den Verlauf von Krankheiten, wie z.B. Krebs oder Herz-Kreislauf-Erkrankungen, anhand von Proteinen und der DNA, die in den Zellen des kranken Gewebes produziert werden, nachzuweisen. Mit Hilfe von Markern können wir Krankheiten vor Ausbruch der Symptome erkennen und zudem die Wirkung von Medikamenten nachverfolgen. Unsere Nanokristalle, die sich chemisch an die typisch ausgeschütteten Biomoleküle binden und helles Fluoreszenzlicht ausstrahlen, machen die Diagnose schnell und sicher. Die Kristalle bestehen aus Halbleitermaterialen, die unter ultravioletter Strahlung fluoreszieren. Ihre Besonderheit ist, dass sie je nach Partikelgröße bei gleichem Partikelmaterial in unterschiedlichen Farben leuchten. Haben nun die unterschiedlich großen Partikel eine unterschiedliche Zielfunktion (Gene, Nukleinsäuren, Proteine, kleine Moleküle etc.), ist es uns möglich in der gleichen Probe unterschiedliche Moleküle nachzuweisen. Dadurch sind weniger diagnostische Tests notwendig und Kosten werden gesenkt. Leider eignen sich bisher nur cadmiumhaltige und damit toxische Nanokristalle. Die Diagnose kann daher nur außerhalb des Körpers durchgeführt werden. An ungiftigen Alternativen wird aber intensiv geforscht.

Zu Diagnosezwecken werden auch Goldnanopartikel verwendet. Diese werden hierfür mit DNA-Strängen verbunden, welche die komplementären Basen zu den krankheitsspezifischen Genen besitzen. Werden die DNA-Stränge anschließend in eine klinische Probe gegeben, in denen ihr komplentärer Strang vorliegt, bilden sich Partikelcluster, die einen Farbumschlag der Lösung bewirken.

Goldnanopartikel werden auch beim Schwangerschaftstest verwendet. Dazu werden die Goldpartikel mit Antikörpern verbunden. Antikörper sind Proteine des Immunsystems, die ganz spezifisch andere Proteine erkennen und binden. Die nanoskaligen Goldpartikel sind an Antikörper gekoppelt, die ausschließlich an das Hormon hCG binden, das bereits frühzeitig eine bestehende Schwangerschaft anzeigt. Aufgrund von Kapillarkräften werden die Partikel zu den Kontrollfenstern transportiert und sind dann durch eine gefärbte Linie sichtbar. Alle Farben des Farbspektrums können dabei erzeugt werden, die angezeigte Farbe ist abhängig von Größe und Form der Partikel.

 

Implanate

Gelenke verlieren mit zunehmendem Alter ihre Funktionsfähigkeit und müssen dann des Öfteren ersetzt werden. Für die Integration eines Implantats in das umliegende Gewebe ist die Anlagerung von Proteinen, welche die nachfolgende Zelladsorption steuern, entscheidend. NORA versucht über nanostrukturierte Implantatoberflächen die Wechselwirkungen mit Knochenzellen zu verbessern und die Anlagerung von Proteinen zu kontrollieren. Dazu verwenden wir Oberflächenbeschichtungen auf Basis von Hydroxylapatit. Zur Erhöhung der Lebensdauer von Implantaten haben sich nanokristalline Diamantbeschichtungen bewährt.

Auch auf dem Gebiet der Knochenersatzmaterialien wirkt unser Forscherteam mit. Unsere knochenähnlichen Zemente bestehen aus nanokristallinem Hydroxylapatit und werden für die Behandlung von Knochendefekten eingesetzt. Aufgrund der nanokristallinen Struktur können knochenbildende Zellen einwandern und die Knochenersatzmasse so durch natürliche Knochen ersetzen.

 

 


Quelle:

Technoseum - Landesmuseum für Technik und Arbeit (2010): Nano! Nutzen und Visionen einer neuen Technologie. Katalog zur gleichnamigen Ausstellung.

Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung (2008): Nanomedizin. Innovationspotentiale in Hessen für Medizintechnik und Pharmazeutische Industrie, Bd.2.

Bionity.com (2010): Verbesserter Wirkstofftransport hilft, unerwünschte Nebenwirkungen bei der Chemotherapie zu verringern. Unter http://www.bionity.com/news/d/125026/. Aufgerufen im November 2010.


 

 

 

 

 

 

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