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entdeckt_02_2014

FORSCHUNG// DAS FORSCHUNGSMAGAZIN AUS DEM HZDR WWW.HZDR.DE 20 21 Klein und multifunktionell Bislang sind Nanopartikel meist Fettkügelchen, sogenannte Liposomen oder Vesikel, und so groß wie Viren. „Je kleiner man wird, umso anspruchsvoller ist die Entwicklung“, sagt der Chemiker Stephan, der es durchaus mag, „etwas anzupa- cken, wo noch nicht klar ist, wohin die Reise geht.“ Nicht nur die Herstellung der winzigen Partikel ist eine besondere Herausforderung. „Das Verfahren muss sicherstellen, dass alle Partikel in etwa die gleiche Größe haben.“ Das zu überprüfen, ist bei der geringen Größe der Partikel alles andere als trivial, denn dafür sind spezielle elektronenmikroskopische oder spektroskopische Untersuchungen nötig. Und wenn die Größe stimmt, müssen die chemischen Eigenschaften überprüft werden. Eine Aufgabe, die nicht im Alleingang zu stemmen ist, weshalb bei NanoTracking internationale Forschergruppen aus Europa und Australien zusammenarbeiten. Stephans La- bor, das Teil des Instituts für Radiopharmazeutische Krebs- forschung am HZDR ist, hat den Fokus der Forschung auf die Markierung von Tumoren mit radioaktiven Molekülen gelegt. „Markieren kann man sehr kleine Moleküle unter einem Na- nometer. Und man kann Antikörper markieren, die mindestens zehn Nanometer groß sind“, sagt Stephan. „Aber dazwischen sieht es noch sehr dunkel aus.“ Das Ziel: Robuste, definierte und sehr kleine Partikel her- zustellen, die auf ihrer Oberfläche verschiedene Funktions- einheiten tragen. Eine dieser Funktionseinheiten der neuen Nano-Spürhunde ist die Spürnase, mit der ein Tumor im Körper gefunden werden soll. Bislang nehmen Mediziner dafür vor allem Antikörper, also Proteine, die bestimmte Molekül- strukturen auf der Oberfläche von Tumorzellen erkennen können. Aber Antikörper sind selbst schon mindestens 10 Nanometer groß, so dass ein Nanopartikel mit angehefteten Antikörpern als Spürnasen insgesamt zu groß werden würde. „Außerdem wollen wir schneller sein als die Antikörper“, sagt Stephan. Oft zirkulieren die großen Moleküle recht lange durch den Körper und brauchen einen ganzen Tag, um den Tumor zu markieren. Deshalb versucht Stephans Team, nur die entscheidenden, zielerkennenden Teile eines Antikörpers an die Nanopartikel zu heften. „Gestartet sind wir mit den kleinstmöglichen zielsuchenden Einheiten: Peptiden“, sagt Stephan. Diese kurzen Proteinstü- cke haben eine Oberflächenstruktur, die wie ein Schlüssel zum Schloss beispielsweise zu einem bestimmten Rezeptor- molekül auf der Oberfläche einer Krebszelle passt. Aussichts- reiche Ergebnisse erzielten die Forscher mit Kamel-Antikör- pern, die kleiner als menschliche sind. „Da wir außerdem nur ein spezielles Fragment benötigen – nämlich den Teil des Moleküls, der an bestimmte Krebszellen bindet –, wird es möglich, die Nanopartikel viel kleiner zu gestalten“, führt Kristof Zarschler, Biologe in Stephans Labor, aus. „Und das funktioniert auch unter biologisch relevanten Bedingungen, die der Situation im Patienten sehr ähnlich sind.“ Nanopartikel mit Signalwirkung Das Nanopartikel muss aber noch mehr können, als nur den Tumor zu finden. So wie ein Dackel „anschlägt“, wenn der Fuchs gestellt ist, muss Stephans Team ein Partikel züchten, das ein Signal geben und damit den Arzt buchstäblich ins Bild setzen kann. Dazu sollten die Partikel zum Beispiel magne- tische Eigenschaften haben, damit der Arzt sie per Magnet- Resonanz-Tomographie im Körper des Patienten wiederfindet. Deshalb werden in das Nanokügelchen Magnetite – magne- tische Eisenmoleküle – eingebaut. Eine andere Methode, um Form, Größe und Ort eines Tumors abzubilden, sind Fluores- zenzfarbstoffe. Stephan kann sie an den Nanopartikel hängen, so dass sie im Körper des Patienten mit einer bestimmten Lichtwellenlänge angeregt werden können. Der Farbstoff fluoresziert dann, leuchtet also mit einer charakteristischen Wellenlänge und verrät so den Ort des Tumors. „Jede dieser Methoden allein ist gut, deckt aber nicht alles ab“, sagt Stephan. Deshalb sollen zu- künftige Nanopartikel möglichst beide Nachweis- methoden vereinen, also multifunktionell sein. „Radioaktiv markierte Nanopartikel finden wir mit der Positronen-Emissions-Tomographie“, so der Forscher. Damit könne man zwar geringste Men- gen der Partikel nachweisen. „Aber die Auflösung dieser Methode liegt nur im Millimeterbereich.“ Um einzelne Krebszellen oder gar ins Zellinnere zu sehen, sei deshalb die Fluoreszenzmarkierung die Methode der Wahl. Bislang können Ärzte diese Methoden nur nacheinander anwenden. Es wäre jedoch ein großer Vorteil, wenn sie in der gleichen Untersuchung zwischen beiden Techniken wählen und die Bilder übereinanderlegen könnten. Die kleinsten Nanopartikel, die Stephans Team im Tierversuch testen konnte, sind kleiner als fünf Nanometer. Sie bestehen aus metallischen MITSTREITER: Holger Stephan (rechts), Sprecher des Helm- holtz Virtuellen Instituts „NanoTracking“, mit Manja Kubeil und Kristof Zarschler. Foto: Frank Bierstedt

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