Nanomedizin heißt das Stichwort – Nano-Materialien und -Technologien gelten als vielversprechende Hoffnungsträger bei der Entwicklung vieler Behandlungsmethoden. Im aktuellen Fall handelt es sich um eine Entwicklung der Teildisziplin des sogenannten DNA-Origami. Die Nanomediziner nutzen dabei die Bausteine des Erbguts, um Gebilde mit speziellen Funktionen zu erzeugen, die tausend Mal kleiner sind als die Breite eines menschlichen Haars. Diese Nanopartikel könnten zur Diagnose und Behandlung schwerer Krankheiten, insbesondere Krebs führen, so die Hoffnung.
Auf den Feind programmiert
Eine große Herausforderung ist dabei allerdings die Spezifität des Systems: Die Nanopartikel dürfen nur am gewünschten Zielort ihre Wirkung entfalten und nicht gesundes Gewebe beschädigen. Diese Bedingung erfüllt nun offenbar das System der Forscher um Hao Yan von der Arizona State University in Tempe. Ihre Nanoroboter sind mit speziellen Erkennungsadaptern ausgerüstet, die sich nur an einen für Krebs spezifischen Eiweißbaustein anheften: das Nucleolin. Es wird in großen Mengen auf der Oberfläche von Endothelzellen gebildet, welche die Blutgefäße von Tumoren auskleiden. Auf der Oberfläche gesunder Zellen kommt Nucleolin hingegen nicht vor. “Es handelt sich um eine Strategie, die für viele Arten von Krebs verwendet werden kann, da die Blutgefäße von Tumoren im Wesentlichen gleich sind”, sagt Yan.
Wie die Forscher erklären, erzeugen sie für den Bau ihrer Nanoroboter zunächst flache, rechteckige DNA-Origami-Stücke von 90 Nanometer mal 60 Nanometer Größe. Auf ihrer Oberfläche werden Einheiten des Blutgerinnungsenzyms Thrombin befestigt. Wie Papierbögen können die Stücke anschließend zu Röhren geformt werden, die in der Mitte jeweils das Thrombin einschließen. Diese Röhrchen werden dann noch mit den Erkennungsadapter für das Krebs-spezifische Eiweiß Nucleolin ausgerüstet.
Wenn diese Nanogebilde nun mit dem Blutstrom in ein Tumor-Blutgefäß gelangen, heften sie sich mit den Erkennungsadaptern an dessen Oberflächen an. Dadurch wird ein Mechanismus ausgelöst, der das Röhrchen entfaltet und das Blutgerinnungsenzym Thrombin aufdeckt. Dieser Effekt löst dann die Bildung eines Blutgerinnsels aus, das schließlich das Äderchen blockiert, wie bei einem Herzinfarkt. In diesem Fall ist aber nur das Krebsgewebe von einer Unterversorgung betroffen und stirbt ab.
Wirksam und sicher
Soweit die Theorie des Wirkprinzips. Dass es auch tatsächlich auf diese Weise funktioniert, konnten die Forscher durch Versuche an Mäusen zeigen. Es handelte sich um spezielle Versuchstiere, die menschliches Brust-, Haut-, Eierstock- oder Lungen-Krebsgewebe entwickeln. Nach der Tumorbildung injizierten die Forscher den Mäusen intravenös eine Lösung mit den Nanorobotern. Es zeigte sich: Die Partikel sammelten sich nach nur wenigen Stunden in großen Mengen um den jeweiligen Tumor. Dort verursachten sie auch tatsächlich eine Blockade durch Blutgerinnsel.
Wie die Forscher berichten, erzielten sie auf diese Weise vielversprechende Behandlungserfolge bei den Versuchstieren, ohne dass unerwünschte Nebenwirkungen auftraten. “In dem Hautkrebs-Mausmodell wirkten die Nanoroboter nicht nur auf den Primärtumor, sondern verhinderten auch die Bildung von Metastasen mit vielversprechendem Potenzial”, berichtet Yan. Auch die Entsorgung der Nanoroboter ist offenbar unproblematisch: Nachdem sie ihre Aufgabe erfüllt haben, werden sie vom Körper abgebaut, sagen die Wissenschaftler.
“Der Thrombin-DNA-Nanoroboter stellt einen großen Fortschritt in der Anwendung der DNA-Nanotechnologie für die Krebstherapie dar”, resümiert Yan. “Wir haben das erste vollständig autonome DNA-Robotersystem für ein sehr präzises Wirkstoffdesign und eine zielgerichtete Krebstherapie entwickelt”, so der Forscher. Er und seine Kollegen bemühen sich nun um Partner für die weitere Erprobung des Konzepts. Man darf also gespannt sein, was sich aus dem Ansatz entwickeln wird.
Video: Jason Drees, Arizona State University
