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Nanotechnologie in der Medizin: effektiv, gezielt und schnell
Eine alternde Gesellschaft und der demographische Wandel sind die Ursachen dafür, dass in der Medizin die Notwendigkeit wächst, neue Techniken und Verfahren zu entwickeln, beziehungsweise bestehende zu verbessern. Deshalb hat die Nanotechnologie auch längst die Medizin erobert. Es geht um verbesserte Medikamente, deren Formulierung und Transport, oder völlig neue Diagnose- und Therapieverfahren. Auch die Medizintechnik profitiert von den nanotechnologischen Möglichkeiten.
Viele der im letzten Monat auf der COMPAMED in Düsseldorf, eine der wichtigsten Medizintechnikmessen, gezeigten Entwicklungen basieren auf Nanotechnologie, Stichwort Implantate.
Die Rauigkeit des Implantats
Entscheidend für die Güte von Implantaten ist nicht nur das Material, sondern auch deren Oberflächenstruktur. So wird die Biokompatibilität vor allem von der Oberflächenrauheit des Implantats bestimmt. Mit Biokompatibilität bezeichnen Mediziner die Fähigkeit, wie gut das Implantat in den Organismus einwächst. Grundsätzlich ist eine Rauheit in einem engen Bereich von zehn Nanometern optimal, weil dann die umgebenden Zellen gut anwachsen. Eine definierte Oberfläche in diesem Bereich führt zur guten Annahme des Implantats.
Das gilt für künstliche Gelenke, die durch organische Nanooberflächen für den menschlichen Körper verträglicher sind, genauso wie für Zahnimplantate, deren Rauheit im Nanometerbereich über das rasche Einwachsen in den Kieferknochen entscheidet. Die optimale Oberflächenstruktur wird per Laser oder mechanisch erzeugt. Gerade bei Implantaten ist dann die Qualitätskontrolle besonders wichtig, weil schlecht oder gar nicht einwachsende Implantate zu einem hohen Leidensdruck der Betroffenen führen.
Entscheidend ist deshalb, die Oberfläche vor dem Implantieren zu kontrollieren. Dazu steht inzwischen eine 3D-Oberflächenmesstechnik zur Verfügung, die die Möglichkeiten eines Rauheits- und eines Formmessgeräts kombiniert. Selbst bei komplexen Formen oder unterschiedlichen Materialeigenschaften erzielt es die gewünschte Auflösung von bis zu 10 Nanometern.
Miniaturisierung im Labor
Die Miniaturisierung ist auch in der Labormedizin angekommen, Stichwort lab-on-a-chip. Darunter versteht man einen nanostrukturierten Chip, auf dem kleinste Bioproben (z. B. Blut, Urin, Zellgewebe) schneller, mit weniger Chemikalien als bisher und unabhängig von einem Labor analysiert werden können. Diese Chips werden nach dem Prinzip einer Waffel im Waffeleisen hergestellt.
Das Waffeleisen sind dicke Nickel-Phosphor-Schichten, die elektrochemisch hergestellt werden. Diese Schichten lassen sich extrem präzise mit Diamanten bearbeiten und erreichen Oberflächenrauigkeiten von unter zwei Nanometern. Mit solchen hoch genauen Formen lassen sich dann aus einem „Polymer-Waffelteig“ die Biochips mit nanometerfeinen Kanälen pressen. Aber auch andere nanostrukturierte Objekte, wie Mikrooptiken für Endoskope werden auf diese Weise hergestellt und erlangen durch die Nanotechnologie herausragende Produkteigenschaften.
Multitalent Nanopartikel
Eine immer wichtigere Rolle für unterschiedlichste Zwecke spielen in der Medizin Nanopartikel. Sie sind unter anderem der Schlüssel für eine neue Therapieoption gegen Hirntumore. Die von der Nanostart-Beteiligung MagForce entwickelte Methode besteht darin, magnetische Nanopartikel aus Eisenoxid direkt in den Tumor einzubringen und sie dort in einem magnetischen Wechselfeld von außen zu erwärmen. Dieses Feld ändert seine Polarität bis zu 100.000-mal pro Sekunde, versetzt die Teilchen dabei in Schwingung und erzeugt Wärme direkt im Tumor. Dadurch werden die Tumorzellen irreparabel geschädigt oder für eine begleitende Radio- oder Chemotherapie sensibilisiert. Wären die Eisenoxid-Teilchen nicht nanodimensioniert, könnte man keine therapeutisch wirksamen Temperaturen erreichen.
Entscheidende Bedeutung besitzen magnetische Nanoteilchen auch bei einem neuen Verfahren für die medizinische Bildgebung. Als Markierungsmittel („Tracer“) werden die winzigen Magnete zur Bildgebung in die Blutbahn gespritzt. Ein bildgebendes System, das auf den Magnetismus der Teilchen anspricht, kann ein dreidimensionales Bild ihrer lokalen Konzentration sogar im Verlauf von physiologischen Prozessen erstellen. Bewährt hat sich die Methode bereits in vorklinischen Untersuchungen bei der Aufnahme präziser Echtzeit-3D-Bilder von Blutfluss und Herzbewegung. Das sogenannte Magnetic Particle Imaging-Verfahren befindet sich noch im Entwicklungsstadium und könnte einmal eine wertvolle Hilfe bei der Diagnose von Krankheiten sein.
Nanopartikel sollen auch das zielgenaue Verabreichen von Wirkstoffen ermöglichen. Dabei geht es im Prinzip darum, die Wirkstoffe an Transportmoleküle zu koppeln oder zu umhüllen und sie am kranken Gewebe freizusetzen. Immer mehr dieser so genannten Drug-Delivery-Systeme sind in der klinischen Erprobung. Dadurch dass die Wirkstoffe gezielt dorthin transportiert werden, wo sie wirken sollen, werden Nebenwirkungen minimiert, die ansonsten durch die unspezifische Verteilung von Wirkstoffen im Körper entstehen.
Auch die Nanostart-Beteiligung MagForce stellt bereits Forschungen an, wie ihre Nanopartikel als solche Transporter eingesetzt werden können. Die Lumiphore, ebenfalls eine Beteiligung der Nanostart AG, hat eine chemische Komplexverbindung entwickelt, die ein radioaktives Teilchen an ein Biomolekül bindet, das bestimmte Krebszellen identifiziert. Das Biomolekül transportiert das strahlende radioaktive Teilchen zum Tumor. Auch diese sogenannte gezielte Radiotherapie basiert auf Nanotechnologie.
Eine weitere Herausforderung von Drug-delivery-Systemen ist es, sie gegen das Immunsystem zu schützen. Da Nanopartikel, die an der Oberfläche nicht modifiziert sind, vom Immunsystem schnell erkannt und angegriffen werden, wird intensiv an Strukturen geforscht, die das Andocken der Immunzellen verhindern können. Dazu zählen zum Beispiel kettenförmige Polyethylen-Glykol-Moleküle (PEG). Derartige Strukturen werden unter anderem für Krebsmittel (Zytostatika) verwendet, die das Zellwachstum hemmen.
Segensreiche Nanobeschichtungen
Immer häufiger werden auch Nanobeschichtungen für unterschiedlichste Aufgaben eingesetzt. Geradezu revolutionäre Wirkung haben Schichten von 30 bis 50 Nanometern aus amorphem Kohlenstoff, die vor allem für den Einsatz auf Polymermaterialien und flexiblen Implantaten entwickelt wurden. Bereits die geringen Schichtdicken bringen die neuen Oberflächeneigenschaften voll zur Geltung.
Dazu zählen insbesondere die geringen Anhaftungskräfte, die beispielsweise in röhrenförmigen Strukturen wie in urologischen Kathedern oder Drainageschläuchen die Besiedlung durch Biomoleküle stark reduzieren. Die Kohlenstoffschichten werden in einem reaktiven Plasmaverfahren aus der Gasphase bei 50°C abgeschieden. Dank dieser tiefen Temperaturen können nicht nur Metalle, sondern auch Kunststoffe beschichtet werden. Auch bei Stents wird mit Nanobeschichtungen gearbeitet. Derartige Stützstrukturen halten Gefäße offen und werden zum Beispiel zur Infarktvorbeugung in verengten Blutgefäßen eingesetzt.
Nanotechnologie erobert die Medizin
Ganz gleich ob im Messverfahren, als Partikel, als Sonde oder Beschichtung - die Nanotechnologie gewinnt für die Medizin und Medizintechnik immer mehr an Gewicht, obwohl ihre Entwicklung gerade erst begonnen hat.
Unter optimistischen Annahmen geht der Verband forschender Arzneimittelhersteller (VFA) davon aus, dass in den kommenden 10 bis 15 Jahren fast die Hälfte aller Arzneimittel auf Nanotechnologie basieren könnte.
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