Nanotechnologie und Immunologie: Antikörper, Immunassays, Nanovakzine

Der Name dieses Portals verbindet zwei Disziplinen, die in der Praxis eng zusammenarbeiten: Nanotechnologie und Immunologie. Antikörper, die Werkzeuge des Immunsystems, machen Nanopartikel zu präzisen Sonden. Nanopartikel wiederum helfen, Immunreaktionen zu messen und Impfstoffe zu gestalten. Diese Seite erklärt die immunologischen Grundlagen, die wichtigsten Testverfahren und den Stand bei Nanovakzinen.

Grundlagen: Antikörper als Werkzeug

Antikörper, auch Immunglobuline genannt, sind Y-förmige Proteine, die von B-Zellen gebildet werden. Der häufigste Typ im Blut, Immunglobulin G (IgG), ist etwa 150 Kilodalton schwer und rund 10 bis 15 Nanometer groß. Die beiden Arme des Y (Fab-Teile) tragen die Bindungsstellen, die ein bestimmtes Merkmal eines Antigens erkennen, das Epitop. Der Stamm (Fc-Teil) vermittelt die Wechselwirkung mit Zellen und anderen Teilen des Immunsystems.

Für Labor und Diagnostik werden Antikörper auf verschiedene Weise gewonnen:

• Polyklonale Antikörper stammen aus dem Blut immunisierter Tiere und erkennen ein Antigen an vielen Stellen.
• Monoklonale Antikörper stammen von einem einzigen Zellklon. Die Hybridomtechnik, 1975 von Georges Köhler und César Milstein beschrieben und 1984 mit dem Nobelpreis gewürdigt, machte ihre Herstellung möglich.
• Rekombinante Antikörper werden über ihre Gensequenz in Zellkulturen produziert und sind besonders einheitlich.
• Antikörperfragmente wie Fab-Fragmente oder einkettige Fragmente (scFv) sind kleiner und lassen sich dichter auf Oberflächen packen.
• Nanobodies sind die isolierten Bindungsdomänen besonderer Antikörper aus Kamelen, Lamas und Alpakas. Sie sind nur etwa ein Zehntel so groß wie ein IgG, sehr stabil und gut für Sensoren und Bildgebung geeignet.

Wie Antikörper an Partikel gebunden werden, erklärt die Seite Biokonjugation.

Immunassays: Nachweise mit Antikörpern

Ein Immunassay ist jedes Nachweisverfahren, das auf der Bindung zwischen Antikörper und Antigen beruht. Die wichtigsten Formate im Überblick:

Der ELISA wurde 1971 beschrieben und ist bis heute ein Standardverfahren. Beim häufigen Sandwich-ELISA fängt ein Antikörper auf der Platte das Antigen ein, ein zweiter, enzymmarkierter Antikörper bindet an eine andere Stelle. Nach dem Waschen setzt das Enzym ein Substrat zu einem Farbstoff um. Varianten sind der direkte, indirekte und kompetitive ELISA. Die Mikrotiterplatte erlaubt viele Proben gleichzeitig.

Nanomaterialien kommen in Immunassays als Marker zum Einsatz: Goldpartikel in Teststreifen, magnetische Beads zur Aufreinigung in automatisierten Analysegeräten, fluoreszierende Partikel und Quantenpunkte für mehrere Zielmoleküle gleichzeitig. Wie Schnelltests im Detail funktionieren, steht auf der Seite Biosensoren und Schnelltests.

Nanovakzine: Impfstoffe im Nanomaßstab

Viele Krankheitserreger sind selbst Nanopartikel: Viren haben Durchmesser von etwa 20 bis 300 Nanometern. Das Immunsystem ist darauf eingestellt, Strukturen dieser Größe und mit sich wiederholenden Oberflächenmustern zu erkennen. Impfstoffe auf Nanopartikel-Basis nutzen das.

• Virus-ähnliche Partikel (VLP): Hüllproteine lagern sich zu leeren Virushüllen zusammen. Impfstoffe gegen Humane Papillomviren und gegen Hepatitis B beruhen auf diesem Prinzip.
• Lipid-Nanopartikel mit mRNA: Die Partikel bringen den Bauplan für ein Erregerprotein in Körperzellen, die das Protein dann selbst herstellen und dem Immunsystem präsentieren.
• Proteinnanopartikel: Selbstorganisierende Proteine wie Ferritin tragen viele Kopien eines Antigens an ihrer Oberfläche. Solche Ansätze werden in klinischen Studien geprüft.
• Adjuvanzien: Viele Impfstoffe enthalten Wirkverstärker, darunter partikuläre Aluminiumsalze und Emulsionen, deren Partikelgröße für ihre Wirkung eine Rolle spielt.

Auf der Seite Nanomedizin finden Sie mehr dazu, wie Lipid-Nanopartikel aufgebaut sind.

Wie das Immunsystem auf Nanopartikel reagiert

Nanopartikel sind für das Immunsystem nicht unsichtbar. Fresszellen nehmen viele Partikel auf, besonders in Leber und Milz. Manche Materialien können das Komplementsystem aktivieren, einen Teil der angeborenen Abwehr, was bei einigen intravenös verabreichten Präparaten zu Infusionsreaktionen beitragen kann. Gegen Polyethylenglykol, das als Hülle vieler Partikel dient, können Antikörper vorkommen, die die Wirkung oder Verträglichkeit beeinflussen können. Solche Wechselwirkungen sind Teil der Sicherheitsprüfung von Nanoarzneimitteln und ein eigenes Forschungsfeld, die Nano-Immunsicherheit. Mehr zur Risikobewertung finden Sie unter Nanosicherheit und Regulierung.

Warum die Verbindung so fruchtbar ist

Antikörper sind die präzisesten Erkennungswerkzeuge, die die Natur bereitstellt, Nanopartikel die vielseitigsten Signalgeber und Träger, die die Materialforschung bietet. Zusammen ermöglichen sie Tests, die in Minuten ein Ergebnis liefern, Laborverfahren mit sehr niedrigen Nachweisgrenzen und neue Impfstoffplattformen. Die Grundbegriffe beider Disziplinen sind im Glossar zusammengefasst.