Nanomedizin: Nanopartikel in der Medizin

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Dr. Utz Anhalt
Nanomedizin – was ist das? Nanos heißt griechisch Zwerg. Eine Zwergenmedizin also? Gemeint ist eine Technik, die kleinste Strukturen im Körper behandelt, und kleinste Materialien verwendet, um Krankheiten zu behandeln.

Definition

Es geht um Strukturen, die 10.000 mal kleiner sind als der Durchschnitt eines menschlichen Haares, ein Nanometer ist ein millionstel Millimeter. Heute existieren bereits diverse künstlich hergestellte Nanoprodukte – in Sonnencreme befinden sich zum Beispiel Nanopartikel aus Titandioxid, in Kleidung Silber-Nanoteilchen, und in Lebensmittelverpackungen.

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Die EU-Kommission definiert: „Nanomaterial ist ein natürliches, bei Prozessen anfallendes oder hergestelltes Material, das Partikel in ungebundenem Zustand, als Aggregat oder als Agglomerat enthält und bei dem mindestens 50 Prozent der Partikel in der Anzahlgrößenverteilung ein oder mehrere Außenmaße im Bereich von 1 Nanometer bis 100 Nanometer haben. (…) Abweichend (…) sind Fullerene, Graphenflocken und einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren mit einem oder mehreren Außenmaßen unter 1 Nanometer als Nanomaterialien zu betrachten.“

Nanotechnik soll erstens Dinge immer kleiner und somit präziser produzieren. Zweitens ermöglicht sie den Zugang zu Atomen und Molekülen und kann so neue Materialen und ganze Materialsysteme erschaffen.

Es gibt natürliche Nanoteilchen wie zum Beispiel Russpartikel, Eiweiße im Blut oder Fett-Teilchen in der Milch. Synthetische Nanoteilchen erzeugen Forscher entweder absichtlich oder als Nebenwirkung, zum Beispiel, wenn Diesel verbrennt.

Was ist an Nano besonders?

Nano-Strukturen entwickeln besondere Funktionen auf der Ebene der Atome und Moleküle, und zwar sowohl bei belebter wie unbelebter Materie. Die letzten Jahrzehnte waren geprägt von Forschung daran: Es ging erst einmal darum, Nanosysteme zu erfassen.

Heute wenden Wissenschaftler dieses Wissen in lebenden Systemen an – das ist die Basis der Naonmedizin. Wie jede neue Technik, die in den Körper eingreift, ist auch diese mit Risiken verbunden: Zum Beispiel sollen Nanokapseln Medikamente exakt dort im Körper einsetzen, wo die Erkrankungen sitzen, und das verspricht zum Beispiel gewaltige Fortschritte in der Krebsmedizin. Doch diese Nanopartikel könnten Zellwände durchdringen, sich im Körper sammeln oder die Atemwege entzünden.

Verbreitete Nanomaterialien

Nanosilber: Silber tötet Keime ab, und die Wissenschaft nutzt dies in Nanopartikeln, zum Beispiel als Oberflächenschicht auf Türgriffen, in Wundverbänden oder in Textilien – Nanosilber hilft gegen den Schweißgeruch.

Russpartikel lassen sich künstlich herstellen, um als schwarzes Pigment in Farben zu dienen, aber auch als Antistatikzusatz in Kunststoffen.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind aus Kohlenstoff konstruiert, sehr stabil und festigen so Kunststoffe. Heute finden sie sich in Fahrrädern der Extraklasse.

Titandioxid veredelt Oberflächen, um Schmutz abzuweisen. Es fördert das Zersetzen organischer Materialen durch Sonnenlicht und hält so zum Beispiel die Farbe von Gebäudefassaden sauber.

Nanoteilchen im Zinkoxid absorbieren die UV-Strahlung der Sonne und finden sich deshalb in Sonnencreme. Außerdem verwendet die Industrie es in Bildschirmen aus Flüssigkeitskristallen oder LEDs. Zinkoxidbeschichtungen fördern außerdem die Wirkung von Solarzellen.

Nanomedizin

Der amerikanische Visionär Robert Freitas sieht mit der Nanomedizin ein goldenes Zeitalter kommen: Nanoroboter der nahen Zukunft sollen Genschäden beheben, künstlich produzierte rote Blutkörperchen Herzinfarkte verhindern – Nanomaschinen killen dann Viren, reparieren Zellen oder laden das Blut mit Sauerstoff auf.

Die Medizin verspricht sich viel von Nanotechniken. Mehr als 100 Medikamente enthalten bereits Nanopartikel, dazu kommen Diagnosemethoden und Geräte, die mit Nanoverfahren arbeiten. Bei Medikamenten geht es weniger um neue Wirkstoffe als um neue Wirksamkeit: Nanokapseln, die die Stoffe nur im Umfeld bestimmter Moleküle freigeben, sollen die Wirkstoffe so direkt zum Ziel transportieren.

Einen Meilenstein in der Medizin erwarten viele Ärzte für die Therapie neurologischer Erkrankungen, die mit Blut und Gehirn zusammen hängen. Denn Nanoteilchen können diese „Blut-Hirn-Schranke“ durchbrechen. Damit eröffnen sich neue Perspektiven zum Beispiel für Alzheimer und Parkinson, möglicherweise auch für Multiple Sklerose.

Mit Nanos versehene Geräte, Böden, Wände und Möbel in Kliniken könnten die Sterilität fördern. Resistente Bakterien lassen sich so vermutlich besser behämpfen. Wundverbände enthalten bereits heute Nano-Silber, zum Beispiel bei Brandverletzungen.

Nanotechnik soll auch die Diagnostik verbesseren: Die Nanopartikel werden dabei so präpariert, dass sie an Organen oder Zellen haften. Zum Beispiel lässt sich mit Nano-Eisenoxidteilchen Tumorgewebe erkennen.

Das leitet über zu wahrscheinlichen Nanotherapien der nahen Zukunft: In der Krebsmedizin dient Nanotechnik voraussichtlich bald dazu, Tumore zu erkennen und zu bekämpfen. Heute experimentieren Ärzte bereits mit einer Krebsbehandlung, in der magnetische Nano-Eisenoxidteilchen den Tumor elektromagnetisch anheizen und dadurch die Krebszellen zerstören.

Nanokapseln könnten zum Beispiel Bauchspeicheldrüsenzellen enthalten, im Blut Insulin freisetzen und so Diabetes behandeln.

Es gibt bereits eine Zahnpasta, Theramed S.O.S. Sensitiv auf der Basis von Nanopartikeln. Sie baut mit Nanoteilchen eine Schicht künstliches Zahnmaterial auf; so sollen die Zähne weniger Schmerzen empfinden.

Hydroxyapatit ist den Mineralien der Knochen ähnlich und Zahnimplantate wachsen mit seiner Hälfe besser ein, das Nanomaterial verkürzt den Prozess auf bis zu zwei Wochen, im Unterschied zu konventionellen 2-4 Monaten.

Nanoporöses Silizium oder Titandioxid ist durch Lochstrukturen gekennzeichnet. Diese regen auf den Implantaten das Knochenwachstum an, stoppen Entzündungen, indem sie Wirksubstanzen wie ein Schwamm abgeben.

Besondere Bedeutung wird Nanotechnik mit Sicherheit auch bei anderen Implantationen bekommen, denn mit Oberflächen aus Nanoteilchen lassen sich biologische Organe und künstliche Geräte besser verknüpfen als mit konventionellen Methoden. Ob Herzschrittmacher oder Endoprothesen wie künstliche Knie-, Hüft- oder Schultergelenke: Nanoschichten mindern wahrscheinlich die Abwehr des Körpers gegen Fremdkörper.

Schon heute lässt sich Hydroxyapatit als Paste zum Knpochenaufbau einspritzen. Solches Nanomaterial ist gut verträglich, weil es den mineralischen Anteilen im Knochen ähnelt. Der nächste Schritt sollen Hydoxyapatite sein, die mit Kohelnstoff-Nanoröhrchen in einer Komposit-Matrix verbunden werden und als Knochenzement dienen.

Unfallopfer profitieren vielleicht bald von Ersatzgewebe in Form von Glas-Kollagen-Kompositen im Nanoformat, die künstliche Haut und künstliche Knochen tragen. Außerdem sollen Implantate mit Nanotechnik stabiler als konventionelle sein.

Bereits 1998 machte die Firma Abraxis BioScience LLC in den USA klinische Tests mit Nanomedizin gegen Krebs. Das Mittel Abaxane wurde schließlich zugelassen. Es besteht aus unlöslichem Paclitaxel und Albumin, dieses Albumin bindet sich an das Protein SPARC, das von Bauchspeicheldrüsenkrebs betroffen ist – im Unterschied zu anderen Medikamenten.

Tekmira Pharmaceuticals aus Kanada entwickelte Nanos für Liopsomen, die in der Leber vermutlich gegen Hypercholesterinämie wirken. Allerdings zeigte ein Versuchspatient Symptome wie bei einer Grippe, darauf wurde das Experiment abgebrochen.

Die französische Bioalliance Pharma setzte mit dem Medikament Dexorubicin Nanoteilchen gegen Leberkrebs ein. Doch drei Probanden starben an Lungenproblemen.

In der EU zugelassen ist eine Nanotherapie von Hirntumoren – die Hyperthermie. Dabei werden Eisenoxid-Teilchen in das Gehirn gespritzt und dort mit Magnetwellen angeregt. Sie erhitzen den Tumor und töten ihn so ab. Mit dem Magnetic Particle Imaging (MPI) lassen sich zudem Herz und Blutgefäße filmen.

Michael Bamberg von der Deutschen Krebsgesellschaft sagte: „Die Hyperthermie wird zur vierten Säule der Krebstherapie werden – neben der Chirugie, der Strahlentherapie und der Chemotherapie. Seine Idee basiert auf nachgewiesenen Heilungserfolgen bei Brustkrebs, Hautkrebs, Hinrtumoren, Darm- und Gebärmutterhlaskrazinomen.

In Planung sind Schnelltests mit Nanosensoren, um Krebs zu erkennen, Nanohormontests, Nanobots, um Zellen zu reparieren und Nanoteilchen, um Rückenmarksverletzungen von Gelähmten zu heilen. Manche Forscher_innen glauben, damit Querschnittsgelähmten ein normales Leben wieder zu geben. Es handelt sich aber noch um Grundlagenforschung.

Magnetic Particle Imaging

Ein neues Bildgebungsverfahren, das Magnetic Particle Imaging, stellten 2005 Forscher von Philips Healthcare vor. Sie präsentierten dreidimensionale Filme von Herzen, Gefäßen und Tumoren, und das war mit keinem anderen Verfahren möglich.

Diese Technik würde es möglich machen, Herzbeschwerden viel schneller nachzuweisen als bisher. Der Arzt müsste das Herz und sein Umfeld nur noch von außen filmen und könnte sofort Schäden in der Herzwand oder Herzmuskelschwächen erkennen. Dafür muss er dem Patienten lediglich magnetische Nanopartikel spritzen. Eine konventionelle Herzdiagnose dauert hingegen bisweilen Monate.

Künstliche Organe

Nanotechnik lässt denken, was vor kurzem noch Science Fiction war, nämlich künstlich Organe und sogar Organismen zu schaffen. Interdisziplinäre Forscher_innen wollen Nanotechnik mit Biotech, Informations- und Kognitionswissenschaft verbinden und so künstliche Intelligenzen schaffen bzw. menschliche Fähigkeiten über die natürlichen Grenzen steigern.

Langes Leben durch künstliche Organe. Bild: benschonewille- fotolia
Langes Leben durch künstliche Organe. Bild: benschonewille- fotolia

Das ist keine fixe Idee, sondern in Ansätzen bereits Wirklichkeit. So lassen sich Haut und Knorpel heute künstlich herstellen. Bei größeren Organen scheitert die Nanowissenschaft bisher an der Versorgung mit Sauerstoff und Nährzellen. Die funktioniert noch nicht, und deshalb sterben die Zellen ab.

Doch das Massachusetts Institut of Technology in Cambridge, USA entwickelt eine Methode, um genau dieses Problem zu lösen. Dabei entwirft ein Computer das Muster eines Zellennetzes und ätzt es auf eine Siliziumoberfläche. Dieses Muster wird dann auf biologisches Material übertragen, zwei Schichten werden übereinander gelegt und versiegelt. An dieser Struktur können sich die Zellen anhaften. Die Zellen selbst werden in Petrischalen gezüchtet. Leber- und Nierenzellen blieben so zwei Wochen intakt.

Die Forscher_innen pflanzten Ratten eine „Nano-Leber“ ein, mit einer Schicht Zellen. Eine Leber braucht um zu funktionieren circa 30-50 solcher Schichten. Das Nano-Gewebe überlebte eine Woche.

Nanotech und Science Fiction

Greg Bear etablierte 1985 mit „Blood Music“ Nanotechnik in der Science Fiction als zentrales Thema. Ein Forscher züchtet Moleküle und bringt diesen eine Form von Intelligenz bei. Eine dieser Kulturen injiziert er sich selbst.

Die Nanobots vermehren sich jetzt und agieren selbstständig im Körper: Seine Sehschärfe nimmt zu, er leidet nicht mehr unter Erkältungen. Die Nanos entwickeln sich ständig weiter und schaffen sich eine ideale Umwelt: Vom Diener werden sie zum herrscher über ihren Wirtskörper. Sie programmieren den Forscher um und steuern ihn.

Das bietet für ihren Erfinder Vorteile: Das Überleben der Nanos hängt von der Gesundheit des Wirtskörpers ab, und so verbessern sie ständig dessen Fähigkeiten.

Doch sie verändern den Wirt nicht so, wie es für ihn am besten wäre, sondern wie die Nanoorganismen selbst ideale Lebensbedingungen haben. Jetzt wird der wissenschaftliche Fortschritt zum Horror.

Andreas Eschbach erfand in „Herr aller Dinge“ autarke Nanoroboter, die Krebszellen abtöten „ virengroße Nanozellen, die Krebszellen an ihren Signaturen erkennen. Zur Steuerung sind sie über Funk mit dem Arzt verbunden, damit sie keine fehlerhaften Aktionen vornehmen können; die drahtlose Verbindung geht direkt ins Gehirn des Arztes, das von Leitungen in Nanodicke durchzogen ist, um die heilenden Zellen führen zu können. Ihre Funktionsweise ist dabei folgende: Die Maschinen lösen die Krebszellen nicht einfach auf; das wäre zu gefährlich, weil dann dein Körper mit mehr Abfallstoffen überschwemmt würde, als er ausleiten kann. Stattdessen dringen sie in die Zelle ein und lösen die Apoptose aus, den zelleigenen Mechanismus der kontrollierten Selbstzerstörung. Die meisten Überreste werden von deinen Leukozyten aufgefressen. Alles, was übrig bleibt, transportieren die U-Boote selber ab, deponieren es in deiner Blase oder deinem Darm.“

Nanotechnik spielt in vielen Romanen eine Rolle: Als zentraler Plot, als Randgeschehen oder als Kulisse.

Bruce Sterling, ein Erfinder der Cyperpunk-Literatur, widmete sich in seinen Zukunftsvisionen seit den späten 1990er Jahren der Nanotechnik. Er versteht sich als Futurist und meinte, mit dem Durchbruch des Internet sei vieles eingetreten, worüber er in der Fiktion geschrieben hätte – deswegen beschäftigte er sich jetzt mit einer Technik, die erst in den Anfängen steckte.

2002 veröffentlichte Michael Crichton, der Autor von Jurassic Park „Prey“. Forscher_innen in Nevada entwickeln Nanokameras für das Militär. Doch die machen sich selbstständig und töten alles, was ihnen begegnet. Sie vermehren sich und manipulieren die Gedanken und Motorik ihrer Erfinder_innen. Aus den Nanos entwickelt sich ein Super-Organismus, der die Gestalt von Menschen kopiert.

Die Nanos verhalten sich dann wie Menschen, sie zerstören den Planeten, um Rohstoffe für ihre Vermehrung zu bekommen. Science Fiction, die weiterdenkt, was technisch möglich wäre und ein fiktiv realistisches Szenario entwirft, war „Prey“ nicht, sondern eine altbackene Story über „die Geister, die ich rief“ vom faustischen Menschen, der seine technischen Monster nicht mehr unter Kontrolle hat.

Angelika Fehrenbach schrieb mit „Der Lotus Effekt“ hingegen einen Thriller, der nahe an der Wirklichkeit bleibt. Eine Wissenschaftlerin der Uniklinik Marburg merkt, dass eine neu erforschte Nanotechnik riskant ist, als die Laborratten reihenweise sterben. Sie merkt, dass die Verantwortlichen etwas verschweigen, recherchiert nach und kämpft bald um ihr Leben.

Jeff Carlsson veröffentlichte 2007 „Plague Year“, in deutsch erschien das Werk ein Jahr später als „Nano“. Nanoteilchen bieten hier den Hintergrund für ein klassisches Endzeitepos. Der Plot ist traditionell: Künstliche Intelligenzen machen sich selbstständig und töten ihre Erfinder.

Diese Frankenstein-Kreaturen sind hier Nanoroboter. Sie vermehren sich und töten alle Warmblüter. Die Menschen fliehen ins Hochgebirge, denn dort funktionieren die Nanos nicht. Die Überlebenden im alpinen Winter kämpfen derweil gegen Kälte und Hunger. Sie versuchen, zu einer Gruppe auf einem anderen Gipfel vorzustoßen, die mehr Nahrung und eine bessere Unterkunft hat.

Carlson geht fundiert mit Nanotechnik um; diese bildet jedoch lediglich den Rahmen zu der Frage: Wie verhalten sich Menschen in Extremsituationen?

Eine Lieblingsidee der Science Fiction sind selbst agierende Nanoroboter. Diese streifen durch den Körper und eliminieren jedes Gift, jeden Bandwurm, sie beheben Missbildungen an zellen, heilen innerere Verletzungen, sie regenerieren die Zellen und stoppen so das Altern – und das jeden Tag 24 Stunden lang.

Gäbe es solche Nanomaschinen, könnten wir sogar ungesund leben, denn sie würden jeden Schaden sofort beseitigen.

Nanomedizin-Risiken

Amerikanische Studien von 2002 zeigten zwar mägliche Einsparungen bei Ovarialkarzinomen durch Nanomaterialien, vor allem, weil die Behandelten durch die Nanoteilchen weniger Nebenwirkungen hatten. Unerwünschte Nebenwirkungen stellten jedoch ein massives Problem dar, in den USA starben daran in einem Jahr 100.000 Menschen.

Die Risiken von Nano-Techniken sind wenig erforscht, zudem ist unbekannt, welche Firmen welche Nanosubstanzen verwenden. Ein Problem bergen vermutlich Nanopartikel, die in die Umwelt freigesetzt werden; sie sind kleiner als Feinstaub und halten sich lange in der Luft.

Expert_innen fordern deshalb ein zentrales Melderegister, in dem Nanosubstanzen gemeldet werden, und Untersuchungen jeder einzelne Substanz.

Nanopartikel in Filteranlagen stellen im Betrieb vermutlich kein Gesundheitsrisiko dar, weil sie fest in Kunststoffen versiegelt wird. Problamatisch wird aber in Zukunft die Entsorgung, dann droht ein ähnlicher Aufwand wie bei Asbest.

Vermieden werden sollten alle Produkte, mit denen Nanopartikel in die Umwelt gelangen. So lösen sich die Nano-Silberteilchen in bestimmten Socken bereits bei der ersten Wäsche, gelangen dort ins Abwasser und schaden vermutlich Baktierien in Kläranlagen.

Bisher weiß niemand so Recht, wie die Risiken von Nano-Material eingestuft werden sollen: Geht es um die Größe, oder sind die Eigenschaften der Stoffe wichtig? Geht es um die Menge der Stoffe in der Umwelt wie bei anderen Schwellenwerten, oder sind auch die Zahl und Struktur der Partikel für die Gefahr entscheidend?

Nanotechnik ist den meisten Europäer_innen zwar kaum bekannt, und auch jeder Dritte in Deutschland weiß nicht, was es ist. Diejenigen, denen Nanotechnik etwas sagt, stehen ihr meist positiv gegenüber.

Deutlich wird, dass Menschen, die den Begriff Nanotechnik kennen, sich in der Regel eigenständig Wissen dazu angeeignet haben und auch deswegen selten pauschal abwerten oder kritiklos befürworten.

Verbraucherschutzverbände fordern, Nanopartikel aus Kosmetik und Nahrung zu entfernen, bis sie sich als ungefährlich einstufen lassen. Bei Naturland zum Beispiel sind Nanoteilchen verboten.

Nanomaterialen können in Deutschland sowohl als Wirk- wie als Hilfsstoffe gelten, je nachdem, wie sie angewandt werden. Das deutsche Arzneimittelgesetz legt dabei fest, wie die Sicherheitsprüfungen aussehen, also sowohl die Beratungsverfahren wie die klinischen Tests vor der Zulassung, die Zulassungsverfahren selbst und die Beobachtung wie Berichterstattung nach der Zulassung.

Ethikkommissionen müssen klinische Tests genehmigen. Das deutsche Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte überwacht die Zulassung.

Besonders umstritten ist dabei das Überschreiten der Blut-Hirn-Schranke. Es ermöglicht zwar, die Hirnleistung von Alzheimer-Kranken zu verbessern, kann aber auch dazu missbraucht werden, bei therapeutisch nicht induzierten Menschen die Leistungsfähigkeit zu steigern – mit unabsehbaren Nebenwirkungen.

Die EU verbietet die Forschung an Verfahren, um Materialien zur Verbesserung des gesunden Menschen zu entwickeln. Insbesondere für den militärischen Einsatz gilt den Ethikkommissionen dabei das Augenmerk: Nanotech-Medikamente sollen hier die Konzentration bei Soldat_innen erhöhren oder sie zu einem Dauereinsatz ohne Schlaf befähigen. Last but not least öffen sich mit Nanotechnik unzählige Möglichkeiten, um synthetisch-biologische Kampfstoffe zu entwickeln.

Ethik-Kommissionen erreichen indessen wenig, weil Projekte, die Nanotechnik in diesem Sinne gebrauchen, im Verborgenen stattfinden.

Während die reale medizinische Forschung heute massiv, den funktionalen Ersatz beschädigter Körperteile mit Nanomedizin vorantreibt, diskutieren Ethiker über das Problem von Organen und Prothesen, die das menschliche Original übertreffen sollen.

Dabei verläuft diese Diskussion nicht gradlinig: Welche Verbesserungen des Körpers medizinisch notwendig, akzeptabel oder inakzeptabel sind, ist nämlich in Gesellschaften sehr unterschiedlich definiert.

Die Debatte, was mit Nanomedizin medizinisch-technisch möglich, und die, was ethisch vertretbar ist, verlaufen in Deutschland derzeit getrennt voneinander ab. (Dr. Utz Anhalt)

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Quellen:

http://www.ingenieur.de/Fachbereiche/Mikro-Nanotechnik

http://www.nano.fraunhofer.de/de/nanotech.html

http://library.fes.de/pdf-files/stabsabteilung/05709.pdf

http://www.umweltbundesamt.de/themen/chemikalien/nanotechnik