14. Oktober 2010
Gesund dank Nanotechnologie

Gesund dank Nanotechnologie

Als vielversprechendstes Forschungsgebiet der Zukunft gilt die Nanowissenschaft: Teilchen im Zwergenformat sollen vor allem die Medizin revolutionieren.

Nanotechnologie
© David Crockett - iStockphoto
Nanotechnologie

Es geht um Leben und Tod. Ein Team von Ärzten wird mitsamt seinen Lasergeräten und einem U-Boot auf Mikrobengröße verkleinert und in die Blutbahn eines schwer verletzten Patienten gespritzt. Die Mediziner arbeiten sich tapfer zu seinem Gehirn vor und beseitigen dort ein Blutgerinnsel – Happy End à la Hollywood. „Die phantastische Reise“ heißt dieser amerikanische Science-Fiction-Film von 1966, damals eine Gratwanderung zwischen medizinischem Fachwissen und blühender Fantasie. Doch was vor 45 Jahren noch als grotesk eingestuft wurde, ist heute in greifbare Nähe gerückt. Weltweit arbeiten Forscher unter Hochdruck an neuen Diagnose und Heilverfahren im Mini-, besser gesagt im Atomformat. Dabei geht es beispielsweise um winzige Kapseln, die Arzneimittel zielgenau dort freisetzen, wo sie benötigt werden, oder um ferngesteuerte Mini-Roboter, die sogar feinste Blutgefäße in den Augen reinigen können. Es geht um eine Technologie, die unter Wissenschaftlern gegenwärtig so kontrovers diskutiert wird wie kaum eine zweite: die Nanotechnologie. Hochspezialisierte Labors setzen Atome und Moleküle etwa so zusammen wie kleine Kinder ihre Bauklötze. Dabei entstehen völlig neue Strukturen und Materialien mit faszinierenden Eigenschaften – nicht nur für die Medizin.

Riesige Summen für winzige Teilchen – alle hoffen auf die Nanomedizin

Die heilsamen Zwerge – „Nano“ ist griechisch und bedeutet „Zwerg“ – gelten als Schlüsseltechnologie des Jahrhunderts, als „unsere Eintrittskarte in die Zukunft“. So steht es im Vorwort von Bundesforschungsministerin Annette Schavan zum „Aktionsplan 2010“, der deutschen Nano-Initiative. Seit ihrem Start im Jahr 2005 steckte Schavans Behörde allein in die Entwicklung der Nanomedizin 24 Millionen Euro Fördergelder. Die EU stellt bis 2013 zusätzlich 100 Millionen für Grundlagenforschung und Produktentwicklung bereit. Summen, die ahnen lassen, welche Hoffnungen Politik, Wirtschaft und Wissenschaft in die Nanotechnologie setzen. Aber was ist das eigentlich? Das Ganze basiert auf ultrakleinen Teilchen. „Diese bestehen aus wenigen Atomen oder Molekülen und werden in der Maßeinheit Nanometer gemessen“, erklärt Dr. Claus Duschl vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik, kurz IBMT, in Potsdam. „Sie können künstlich aus unterschiedlichsten Materialien hergestellt werden, kommen aber auch in der Natur vor.“ So gebe es zum Beispiel Bakterien, die sich mit winzigen Rotationsmotoren fort - bewegen. „Die sind nichts anderes als von der Natur entwickelte biologische Nanomaschinen“, sagt der Experte.

Ihre Vielfalt machen die Nanopartikel so interessant

Ihre Vielfalt und Wandelbarkeit machen die Nanopartikel so interessant

Erst seit wenigen Jahren verfügen die Forscher über die technischen Geräte, mit denen sie solche winzigen Strukturen untersuchen und nachbauen können. Zum Vergleich: Ein Nanometer steht im etwa gleichen Größenverhältnis zu einem Meter wie der Durchmesser einer Cent- Münze zum Durchmesser unserer Erde. Unvorstellbar! In dieser unsichtbaren Welt herrschen eigene Gesetze. Das macht Nanoteilchen für viele Branchen so interessant. Sie haben zum Beispiel besondere Fähigkeiten im Umgang mit Licht. Je nach Material können sie es gänzlich aufsaugen oder in vorher festgelegter Weise streuen. Die Kosmetikindustrie verwendet solche Teilchen schon in Sonnenschutzcremes. Andere dienen in der Medizin dazu, Krebs noch früher als bisher aufzuspüren. So haben US-Forscher jetzt Nanoteilchen aus Metall mit winzigen Häkchen entwickelt, die in Blutgefäßen hängenbleiben, die bösartige Tumoren versorgen. Die werden dadurch markiert und bei einer Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) sofort entdeckt. Ohne die Nanoteilchen könnte die MRT gesundes und krankes Gewebe in einem so frühen Stadium überhaupt nicht unterscheiden. „Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass Nanoteilchen andere chemische und physikalische Eigenschaften haben als größere Partikel aus dem gleichen Material und mit der gleichen Zusammensetzung“, erklärt IBMT-Fachmann Dr. Duschl. Stellt man beispielsweise Nanopartikel aus Keramik oder Glas her, entwickeln sie völlig neue Talente: Keramik wird auf einmal transparent, Glas zu einem neuen Klebstoff.

Beim Einsatz des Mini-Materials scheinen der Fantasie keine Grenzen gesetzt

Das Institut für Neue Materialien in Saarbrücken, kurz INM, arbeitet seit Langem intensiv an Nanowerkstoffen. Mit dem Biologen Dr. Andreas Jordan von der Berliner Charité entwickelte das INM einen weiteren hoffnungsvollen Ansatz in der Krebstherapie, speziell gegen Prostata - krebs und sehr aggressive Hirntumoren (Glio blastome) gerichtet. Die Nanoteilchen, seit Jahresanfang zugelassen, dienen in diesem Fall als Hitzequelle: Die Mediziner spritzen ein Fluid mit eisenhaltigen Partikeln direkt ins Tumorgewebe. Ein elektromagnetisches Wechselfeld bringt sie zum Schwingen und heizt sie auf bis zu 70 Grad auf – die Krebszellen schmelzen wie Eis in der Sonne. Ein ähnliches Prinzip stellten russische Forscher im März beim größten Kardiologen-Kongress in den USA vor: Mit einem Nah-Infrarotlaser erhitzten sie Nanopartikel aus Silizium und Gold auf 50 bis 150 Grad und konnten so Ablagerungen in Blutgefäßen, sogenannte Plaques, wegsprengen. Die betroffene Ader blieb vollkommen intakt, auch ein Jahr später konnte das Blut ungehindert hindurchfließen. Internationale Forschergruppen testen derzeit, ob sich Kupfer- oder Magnetit-Partikel genauso verhalten.

Bei sogenannten Wirkstoff-Transportsystemen ist man schon mehrere Schritte weiter. Dabei werden die Atom-Bauklötze so zusammengesetzt, dass eine Art Container für Arzneistoffe entsteht. Zehn solcher „Nanopillen“ wurden bereits zugelassen, einsetzbar unter anderem gegen Pilz-, Virus- und Tumorerkrankungen. Die Partikel reichern sich in den Zielorten an und setzen Wirkstoffe frei, die sie huckepack mitgebracht haben. Ähnlich soll in Zukunft eine Anti-Alzheimer-Therapie funktionieren, an der das europäische Forschungsprojekt „NanoBrain“ feilt. Unter Leitung des Instituts für physiologische Chemie an der Uni Mainz wollen Wissenschaftler in fünf EU-Ländern Nanostrukturen entwerfen, die Schutzstoffe gegen Alzheimer ins Gehirn schleusen. Dabei nutzen sie eine weitere besondere Eigenschaft der Nanos: Sie sind so klein, dass sie die für viele Medikamente unüberwindbare Blut-Hirn-Schranke passieren können. „Arzneimittel gezielt an Ort und Stelle zu bringen ist natürlich ein riesiger Fortschritt“, sagt Nano-Fachmann Dr. Duschl. Nebenwirkungen könnten so deutlich reduziert werden.

Zahnersatz und Hüftgelenke – heute gut, morgen dank Nano noch besser

Zahnersatz und Hüftgelenke – heute gut, morgen dank Nano noch besser

Auch die Materialien, die in der Medizin verwendet werden, profitieren von der Nanotechnik, etwa künstliche Gelenke oder Implantate. Nach spätestens 15 Jahren muss heute ein Ersatzknie oder eine Ersatzhüfte ausgetauscht werden. Kieferchirurgen stellen nicht selten fest, dass der Körper die Kunstzähne abstößt. Zwei Probleme, die die Nanotechnik schon bald lösen soll. „Neue Oberflächenbeschichtungen und Materialien können helfen, die Verträglichkeit und Haltbarkeit zu verbessern“, so Dr. Duschl. Studien zeigen, dass nanobeschichtete Implantate eine deutlich höhere Lebensdauer haben. Sie sind härter, stabiler und haften besser am Gewebe. Auch die Wechselwirkung mit den Knochenzellen verbessert sich. Klar, dass viele Wissenschaftler angesichts solcher Ergebnisse noch von ganz anderen Möglichkeiten träumen. Sie wollen die beiden derzeit „angesagtesten“ Forschungsfelder vereinen – die Nanotechnologie und die Stammzellforschung: neue Knochen, neue Haut- und Nervenzellen, Blinde könnten wieder sehen, Querschnittgelähmte gehen. Australische Forscher entwickeln bereits ein dreidimensionales Gerüst aus Nanoteilchen, an dem neue Nervenfasern langfristig wie Efeu an Hauswänden entlangranken sollen. Multiple Sklerose, Parkinson, Querschnittlähmung – Millionen Patienten und Ärzte auf der ganzen Welt warten dringend auf diese Technik.

Zusammen mit der Stammzellforschung eröffnen sich noch viel mehr Möglichkeiten

Während sich die Nanomedizin also in den nächsten Jahren rasant weiterentwickeln wird, gehören die Zwerge in anderen Bereichen bereits zum Alltag. Ob Mobiltelefone, Autolacke, Brillengläser, Sunblocker, Ketchup oder Kleidung – Nanotechnologie steckt in mehr als 1000 Produkten. Allerdings existiert bislang keine einheitliche Richtlinie, die regelt, wie die schöne neue Nano-Welt auf den Verpackungen beschrieben werden muss. Reichlich unklar ist außerdem, was mit Nanopartikeln im Körper geschieht. Ein aktueller Bericht des Umweltbundesamtes warnt deshalb vor einem allzu sorglosen Umgang mit Nanoprodukten, solange niemand die Risiken für Mensch und Umwelt kennt. „Man weiß einfach noch zu wenig über die Folgen. Vermutlich richten einige Nanoteilchen durchaus Schaden an“, räumt auch Dr. Claus Duschl ein. Partikel aus Metall, Kohlenstoff oder organischen Verbindungen können beim Einatmen bis in kleinste Lungenbläschen vordringen und dort zu Entzündungen führen. Manche gelangen in die Blutbahn und könnten so jedes Organ erreichen. Was dann? Erste Tier - versuche dämpfen die allgemeine Nano-Euphorie erheblich, denn sie belegen: Die selbst gebastelten Moleküle dringen mitunter bis in Zellkerne vor und schädigen die dort lagernde Erbinformation, die DNS. Nanos aus Kohlenstoff stehen im Verdacht, ähnliche Erkrankungen auszulösen wie das seit 1993 verbotene Baumaterial Asbest.

Alles super im Nano-Bereich? Seriöse Experten bremsen die Euphorie

Dr. Claus Duschl betont denn auch: „Gerade für die Medizin ist es wichtig, zu verstehen, wie Nanoteilchen mit dem Organismus interagieren, wie sie aufgenommen und schließlich ausgeschieden werden. Und zu klären, was das auf lange Sicht bedeutet.“ Die große Mehrheit der Nanowissenschaftler sieht das genauso. Statt Euphorie und filmreifer Träume überwiegen in den Laboratorien kritische Umsicht und große Sorgfalt. Fast genauso viel Geld, wie in die Entwicklung neuer Nanos gesteckt wird, fließt in die Erforschung ihrer möglichen Gefahren. Denn wie mit der Nutzung der Atomenergie seit den 50er-Jahren dringt man nun wieder mit der Nanomedizin in eine unsichtbare Welt vor, die faszinierende Chancen bietet – die man aber auch jederzeit beherrschen können muss.

Blick in die Nano-Welt

Blick in die Nano-Welt

Nanowissenschaftler befassen sich mit winzigen Strukturen, die aus Atomen oder Molekülen bestehen. Ihre Größe wird in der Einheit Nanometer, kurz nm, gemessen. Ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters. Nanopartikel lassen sich aus fast jedem Material herstellen. Das gelingt mithilfe unterschiedlicher Verfahren, z.B. der sogenannten Nanoprägelithografie, bei der die Zwergenteilchen mit einer Art Stempel aus dem Grundmaterial herausgearbeitet werden. Oder sie werden beim Elektrospinnen erzeugt: Dabei spaltet ein elektrisches Feld feinste Fasern auf; die lagern sich als Nanofasern wie ein Vlies an einer Elektrode an. Dort können sie abgenommen und weiterverwendet werden. Die Zahl der Anwendungen im Bereich Medizin ist in den vergangenen Jahren immer schneller gestiegen. Experten sehen bis zum Jahr 2014 ein weltweites Marktpotenzial von mehr als 2600 Milliarden US-Dollar.

ADRESSEN & TIPPS
www.nanotruck.de Eine Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung mit vielen Infos zur Technologie sowie zu Chancen und Risiken. Außerdem stehen hier die Tourdaten des sogenannten Nano-Truck, eines Hightech-Mobils, das den sensationellen Teilchenkosmos bundesweit in verschiedenen Städten vorstellt.

www.nano.fraunhofer.de Welche Materialien werden genutzt und für welche Einsatzmöglichkeiten? Die Fraunhofer-Gesellschaft informiert, was Nanoteilchen schon können.

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