Ferngelenkte Drogenkuriere

Der Versuch ist ein Klassiker aus dem Physikunterricht: Nähert man einen Stabmagneten einem Häufchen Eisenspäne, ordnen sich die Späne wie von Zauberhand zu einem akkuraten Muster. Kommt der Magnet nah genug heran, fliegen die Späne sogar durch die Luft und sammeln sich zu abstehenden „Haaren” am Ende des Eisenstabs. Auf ähnliche Weise wollen Mediziner Magnete jetzt nutzen, um Medikamente gezielt zu Krebsgeschwüren zu lotsen. „Die Idee besteht darin, winzige magnetische Teilchen mit einem Arzneistoff zu beladen und sie dann mit Hilfe eines Magneten durch den Körper zu navigieren”, erläutert Carsten Rudolph, Pharmakologe am Kinderhospital der Ludwigs-Maximilians-Universität München. Mit diesem „Magnetischen Drug Targeting” wollen Rudolph und andere Mediziner die Wirkung der Chemotherapie auf krankes Gewebe beschränken. Wirkungsvollere Krebstherapien werden dringend benötigt: „Bei 425 000 Menschen in Deutschland wird pro Jahr erkannt, dass sie an Krebs leiden”, sagt Christoph Alexiou vom Universitätsklinikum Erlangen. „Bei etwa der Hälfte ist der Krebs schon so weit fortgeschritten, dass er nicht mehr operierbar ist.” Dann können die Ärzte zurzeit nur versuchen, Tumor und Metastasen durch Bestrahlung oder Chemotherapie zu verkleinern. „ Der Patient erhält aber nicht so viele Medikamente, wie er benötigt, sondern nur so viele wie er verträgt”, sagt Alexiou. Mit magnetischem Drug Targeting ließe sich die Dosis im Tumor um ein Vielfaches steigern. Als Drogenkuriere verwenden die Forscher einige Nanometer (Millionstel Meter) große Teilchen aus den Eisenmineralien Magnetit oder Maghemit. Der magnetische Eisenkern ist von einer relativ dicken Hülle aus Zucker oder Stärke umgeben. Sie vermindert die Anziehungskraft zwischen den Teilchen, damit diese nicht verklumpen. Außerdem lässt sich der Wirkstoff an dem organischen Material gut befestigen.

MAGNETISCHE KRÄFTE FÜR DIE MEDIZIN

Die magnetischen Nanopartikel sind etwa so groß wie Viren oder Eiweißmoleküle, und damit viel kleiner als eine menschliche Zelle. Schaden können sie nicht anrichten, betonen die Mediziner. Ähnliche Nanopartikel werden bereits seit Jahren als Kontrastmittel bei der Magnetresonanztomographie verwendet. Das Eisen wird nach dem Einsatz vom Körper verwertet, zum Beispiel für den Blutfarbstoff Hämoglobin. Um die Nanoteilchen in eine bestimmte Richtung zu bewegen, ist ein inhomogenes Magnetfeld erforderlich – also ein Feld, dessen Feldstärke nicht überall gleich ist. Bei früheren Experimenten zum magnetischen Drug Targeting wurden aus Mangel an Spezialanfertigungen meist Magneten mit einem fast homogenen Feld verwendet.

„Ein homogenes Feld übt aber keine Kraft auf die Teilchen aus. Sie richten ihr magnetisches Moment lediglich entlang der Feldlinien aus”, erläutert Thomas Weyh von der Technischen Universität München. Daher hat der Physiker mit seinen Kollegen auf der Grundlage von Modellrechnungen spezielle Magneten mit einer dünnen Polspitze entwickelt, deren Feld sich auf engstem Raum stark ändert. Ziel ist, die Teilchen so lange in der Nähe des Tumors festzuhalten, bis sie das Krebs-Medikament abgegeben haben. „Die magnetische Kraft auf die Nanopartikel muss stärker sein als die hydrodynamischen Kräfte in den Blutgefäßen beim Tumor”, sagt Weyh. Als er die Wirkung des Felds auf Eisenteilchen in Blutgefäßen im Computer simulierte, stellte er enttäuscht fest: „Eigentlich ist die Kraft unserer Magneten zu schwach, um die Teilchen im Körper zu bewegen.”

Doch Experimente mit Kaninchen von Christoph Alexiou und seinen Kollegen waren sehr erfolgreich. Alexiou hatte den Tieren die Nanoteilchen in eine Arterie in der Nähe eines Tumors gespritzt und anschließend den Magneten auf die Krebsgeschwulst gerichtet. Schon nach einmaliger Gabe des Medikaments bildete sie sich vollständig zurück. Dabei hatten die Forscher nur ein Fünftel der üblichen Dosis gespritzt. Nebenwirkungen beobachteten sie nicht. Größer als wenige Mikrometer dürfen die Ansammlungen aber nicht werden, damit sie die Blutgefäße nicht verstopfen. Bevor das magnetische Drug Targeting am Menschen erprobt werden kann, muss diese Gefahr ausgeschlossen sein. Physiker um Lutz Trahms von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt haben eine Methode entwickelt, mit der sie den Weg und den Zustand der Nanoteilchen im Körper verfolgen können, die sogenannte Magnetrelaxometrie. „Die Nanoteilchen werden dabei kurzzeitig einem Magnetfeld ausgesetzt, damit sie sich wie kleine Kompassnadeln parallel zueinander ausrichten”, erläutert Trahms. Wird das Feld dann ausgeschaltet, bewegt sich jedes Teilchen wieder unabhängig von den anderen, und das gemeinsame magnetische Moment wird allmählich kleiner. Diesen Effekt messen Trahms und seine Kollegen und ermitteln daraus die Eisenmenge an einzelnen Stellen des Gewebes. Sie benötigen für ihre Messungen noch äußerst empfindliche Magnetfeldsensoren, sogenannte supraleitende Quanteninterferometer. An Routinemessungen ist wegen der teuren Geräte bislang nicht zu denken. Eine Gruppe an der Universität Braunschweig arbeitet zurzeit daran, günstigere Magnetfeldsensoren für diese Aufgabe zu finden.

TROJANISCHE PFERDE IM NANOFORMAT

Sollte sich das magnetische Drug Targeting in der Praxis bewähren, eröffnen sich vielversprechende Möglichkeiten: So könnten „Nanomagnetosole” – mit einigen Tausend magnetischen Nanopartikeln beladene Wassertröpfchen – Lungenkrebs bekämpfen. Carsten Rudolph gelang es bereits, mit dem neuen Verfahren die Konzentration eines Zytostatikums im befallenen Lungenflügel von Mäusen zu verdreifachen. An die Nanopartikel lassen sich auch Gene heften, die Krebszellen von innen heraus abtöten.

VIREN ALS GENTAXI

Forscher um Alexander Pfeifer von der Universität Bonn zeigten kürzlich, dass magnetische Nanopartikel den Erfolg einer solchen Gentherapie steigern können. Dabei benutzten sie unschädliche Viren als Gentaxi, um das Erbmaterial in die Zellen zu schleusen. In anderen Versuchen zogen sie ganze Zellen, in die Viren vorher Erbgut und Nanopartikel eingeschleust hatten, mit einem Magnetfeld zu einer verletzten Stelle im Blutgefäß einer Maus. Solche speziell präparierten Zellen könnten auch zum kranken Organ eines Menschen gelenkt werden. Dort sollten sie dann Keimzellen bilden, aus denen gesundes Gewebe nachwächst.

Recht weit entwickelt ist eine andere Therapieform, bei der magnetische Nanopartikel selbst zum Heilmittel werden: Die Teilchen sollen Krebsgeschwüre direkt zerstören – durch Wärme. Bislang scheiterte dies daran, dass dabei auch das gesunde Gewebe in der Umgebung verbrannte. Die Nanopartikel könnten dieses Problem nun lösen.

„Die Strahlung wird auf den Tumor fokussiert”, erläutert Lutz Trahms. Dafür werden magnetische Nanoteilchen direkt in den Tumor gespritzt und anschließend einem magnetischen Feld ausgesetzt, das ständig seine Richtung wechselt. Größere Nanoteilchen geraten dadurch ins Rotieren, wobei Reibungswärme entsteht. Kleinere Teilchen von etwa zehn Nanometer Durchmesser bewegen sich nicht, sondern polen ihr Magnetfeld um. Das geht allerdings nicht so schnell. Wechselt die Feldrichtung rascher, als die Magnetisierung folgen kann, erwärmen sich die Teilchen – auch wenn sie in der Zelle gebunden sind.

Für die Therapie werden je nach Teilchengröße Radiofrequenzen im Bereich von einigen Hundert Kilohertz verwendet. „Die nötige Intensität der elektromagnetischen Strahlung ist durchaus so hoch, dass man sich Gedanken machen muss, ob das noch verträglich ist”, sagt Lutz Trahms. „Aber schließlich geht es um eine lebensbedrohliche Krankheit, da kann man nicht die gleichen Grenzen setzen wie für die generelle Bevölkerung.” Für den Erfolg der Therapie ist es wichtig, dass sich genügend Nanopartikel im Tumor befinden. Meist werden sie direkt in die Geschwulst gespritzt. Dann geben sie so viel Hitze ab, dass sich das Gewebe auf bis zu 70 Grad Celsius erwärmen kann. Die Krebszellen werden so regelrecht zerkocht. Aber schon bei Temperaturen zwischen 41 und 45 Grad funktionieren einige Reparaturmechanismen der Zellen nicht mehr, sodass die Tumorzellen angreifbarer durch Strahlen- oder Chemotherapie werden.

Die MagForce Nanotechnologies AG aus Berlin will für diese Therapieform 2010 die europäische Zulassung zur Behandlung eines besonders bösartigen Hirntumors, des Glioblastoms, beantragen. Zu anderen Krebsformen, etwa zu Prostatakarzinom, Bauchspeicheldrüsenkrebs und Speiseröhrenkrebs, sind klinische Studien im Gang. Die Forscher hoffen, dass die Nanotherapie bei der Krebsbekämpfung in einem Jahrzehnt den Stellenwert erreicht, den heute die Strahlentherapie einnimmt – aber ohne schädliche Nebenwirkungen. ■

UTE KEHSE ist freie Wissenschaftsjournalistin in Delmenhorst und regelmäßige Autorin von bild der wissenschaft.

von Ute Kehse