Nanomedizin: Wirkstofftransport, Hyperthermie, Bildgebung

Kaum ein Bereich der Nanotechnologie weckt so große Erwartungen wie die Nanomedizin. Schlagzeilen über Partikel, die Tumoren aufspüren oder Medikamente punktgenau abliefern, gibt es seit Jahrzehnten. Ein Teil davon ist Realität geworden, ein größerer Teil ist noch Forschung. Diese Seite trennt beides und erklärt die drei großen Anwendungsfelder: Wirkstofftransport, Hyperthermie und Bildgebung.

Was Nanomedizin ist

Nanomedizin bezeichnet den Einsatz von Nanomaterialien und nanoskaligen Strukturen zur Vorbeugung, Erkennung und Behandlung von Krankheiten. Dazu gehören Arzneimittelträger, Kontrastmittel, Impfstoffplattformen, Beschichtungen für Implantate und diagnostische Verfahren. Die Nanodiagnostik außerhalb des Körpers, etwa in Schnelltests, behandelt dieses Portal auf der Seite Biosensoren und Schnelltests.

Der Grundgedanke: Ein Wirkstoff wirkt nur dort, wo er ankommt. Viele Arzneistoffe lösen sich schlecht in Wasser, werden schnell abgebaut oder schädigen auch gesundes Gewebe. Eine nanoskalige Verpackung kann Löslichkeit, Stabilität und Verteilung im Körper verändern.

Wirkstofftransport

Liposomen

Liposomen gehören zu den ältesten Nanoarzneimitteln. Es sind kugelförmige Bläschen aus einer oder mehreren Lipiddoppelschichten, die wasserlösliche Wirkstoffe im Inneren und fettlösliche in der Membran aufnehmen. Seit den 1990er-Jahren sind liposomale Formulierungen zugelassen, unter anderem für ein Zytostatikum in der Krebstherapie und für ein Mittel gegen schwere Pilzinfektionen. Eine Hülle aus Polyethylenglykol verlängert die Verweildauer im Blut, weil das Immunsystem die Bläschen langsamer erkennt.

Lipid-Nanopartikel

Lipid-Nanopartikel sind die Grundlage der RNA-Medizin. Sie bestehen typischerweise aus vier Lipidarten: einem ionisierbaren Lipid, das bei saurem pH positiv geladen ist und die negativ geladene RNA bindet, einem Helferlipid, Cholesterin und einem PEG-Lipid. 2018 wurde das erste siRNA-Arzneimittel mit Lipid-Nanopartikeln zugelassen, ab Ende 2020 folgten die mRNA-Impfstoffe gegen Covid-19. Nach der Aufnahme in die Zelle helfen die ionisierbaren Lipide, die RNA aus den Endosomen ins Zellinnere freizusetzen.

Polymer- und Proteinpartikel

Biologisch abbaubare Polymere können Wirkstoffe über Tage bis Monate freisetzen. Albumin, ein Bluteiweiß, dient als Träger für schlecht lösliche Zytostatika. Daneben werden Dendrimere, Mizellen und anorganische Träger wie poröses Silica untersucht.

Magnetische Hyperthermie

Superparamagnetische Eisenoxidpartikel erzeugen Wärme, wenn sie einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden. Werden sie in einen Tumor eingebracht, lässt sich das Gewebe gezielt erwärmen. Erhöhte Temperaturen können Tumorzellen schädigen und sie empfindlicher für Strahlen- oder Chemotherapie machen. In Europa wurde ein solches Verfahren für bestimmte Hirntumoren in Kombination mit Strahlentherapie bereits als Medizinprodukt zugelassen, für die meisten anderen Tumorarten ist die Methode jedoch weiter Gegenstand von Studien.

Eng verwandt ist die photothermische Therapie: Goldpartikel, vor allem Nanostäbchen und Hohlschalen, absorbieren Licht im nahen Infrarot und wandeln es in Wärme um. Dieser Ansatz wird klinisch erprobt, ist aber noch keine Standardbehandlung.

Bildgebung

Nanopartikel können als Kontrastmittel dienen, weil sie Signale in der Bildgebung verändern. Eisenoxidpartikel verkürzen Relaxationszeiten in der Magnetresonanztomografie, Gold- und andere Schwermetallpartikel absorbieren Röntgenstrahlung, fluoreszierende Partikel und Quantenpunkte leuchten in der optischen Bildgebung. Einige eisenoxidbasierte MRT-Kontrastmittel waren zugelassen und wurden später vom Markt genommen, andere eisenhaltige Nanopartikel sind als Eisenpräparate zugelassen und werden in Studien auch für die Bildgebung genutzt. Quantenpunkte werden wegen ihrer Inhaltsstoffe bisher vor allem in der Forschung eingesetzt.

Unter Theranostik versteht man Systeme, die Diagnose und Therapie verbinden, etwa Partikel, die ein Tumorareal sichtbar machen und es zugleich erwärmen oder einen Wirkstoff abgeben.

Warum der Weg in die Klinik schwer ist

Die Zahl der Veröffentlichungen zur Nanomedizin ist sehr groß, die Zahl zugelassener Präparate vergleichsweise klein. Gründe sind:

1. Verteilung im Körper: Ein großer Teil der Partikel wird von Fresszellen in Leber und Milz aufgenommen. Eine viel zitierte Auswertung von Tierstudien kam zu dem Ergebnis, dass im Median weniger als ein Prozent der verabreichten Dosis den Tumor erreicht.
2. Protein-Corona: Im Blut verändern Proteine die Oberfläche der Partikel und damit ihr Verhalten.
3. Immunreaktionen: Manche Partikel und PEG-Hüllen können Reaktionen des Immunsystems auslösen, mehr dazu unter Nanotechnologie und Immunologie.
4. Herstellung: Nanoarzneimittel müssen in großem Maßstab gleichbleibend hergestellt und vollständig charakterisiert werden.
5. Regulierung: Zulassungsbehörden wie die Europäische Arzneimittel-Agentur verlangen zusätzliche Daten zu Partikeleigenschaften, Stabilität und Sicherheit.

Einordnung

Nanomedizin ist kein Versprechen auf Heilung, sondern ein Werkzeugkasten, dessen Werkzeuge unterschiedlich weit entwickelt sind. Liposomen und Lipid-Nanopartikel sind etablierte Technologien mit Millionen Anwendungen. Zielgerichtete Tumortherapien mit Nanopartikeln, Hyperthermie und Theranostik sind vielversprechend, aber überwiegend in der Erprobung. Wer sich über eine konkrete Behandlung informieren möchte, findet verlässliche Angaben in der Fachinformation des jeweiligen Präparats und im Gespräch mit der behandelnden Ärztin oder dem behandelnden Arzt.

Welche Risiken Nanomaterialien grundsätzlich haben können und wie die EU sie bewertet, beschreibt die Seite Nanosicherheit und Regulierung. Einen Überblick über die Partikeltypen gibt die Seite Nanopartikel.