Bioinspirierte Nanopartikel für die Krebsdiagnose und -behandlung
Krebs stellt nach wie vor eine große globale gesundheitliche Herausforderung dar, wodurch ein anhaltender Bedarf an diagnostischen und therapeutischen Instrumenten besteht, die präziser, anpassungsfähiger sowie nachhaltiger sind. Die herkömmliche Herstellung von Nanopartikeln kann auf aggressive Chemikalien und energieintensive Verfahren zurückgreifen. Gleichzeitig erfordert die Umsetzung von Nanowerkstoffen in medizinische Anwendungen eine sorgfältige Kontrolle ihrer Größe, Zusammensetzung und ihres biologischen Verhaltens.
Von der Natur lernen
magnetotaktische Bakterien(öffnet in neuem Fenster) produzieren unter milden biologischen Bedingungen hochgradig einheitliche magnetische Kristalle, sogenannte Magnetosomen. Spezialisierte Proteine steuern deren Zusammensetzung, Größe und Form und liefern damit ein Beispiel für präzise Mineralbildung ohne die extremen Bedingungen, die oft mit der herkömmlichen Synthese verbunden sind. Mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) hat sich das Projekt ProteNano-MAG zum Ziel gesetzt, zu untersuchen, wie magnetotaktische Bakterien auf natürliche Weise magnetische Nanopartikel produzieren und ob diese für einen umweltfreundlicheren Ansatz in der Krebsbildgebung und -therapie genutzt werden könnten. „Die Natur zeigt uns, dass die Herstellung hochkomplexer Nanomaterialien nicht unbedingt aggressive chemische Verfahren oder extreme Bedingungen erfordert“, erklärt die wissenschaftliche Mitarbeiterin Lourdes Marcano, die mittlerweile als Assistenzprofessorin an der Universität Oviedo beschäftigt ist. Anstatt Bakterien direkt als Produktionsanlagen zu nutzen, hat ProteNano-MAG Elemente ihres Stoffwechsels adaptiert, die mit der Magnetosomenbildung in Verbindung stehen. Die Forschenden entwickelten Proteine(öffnet in neuem Fenster), die Bindungsstellen enthalten, die Eisen koordinieren und die Bildung von Nanopartikeln steuern. Dieser Ansatz ermöglichte die kontrollierte Synthese von Nanohybriden auf Eisenbasis unter milderen Bedingungen und zeigte damit das Potenzial von künstlich hergestellten Proteinen als anpassbare Vorlagen für magnetische Werkstoffe.
Von magnetischen Nanopartikeln zur Krebs-Theranostik
Eines der seit langem angestrebten Ziele in der Nanomedizin ist die Herstellung reproduzierbarer Nanostrukturen, deren Eigenschaften für eine bestimmte Anwendung ausgelegt werden können. Die resultierenden Materialien wurden auf Anwendungen untersucht, die Diagnose und Behandlung verknüpfen – die sogenannte Theranostik. ProteNano-MAG konzentrierte sich auf kleine Eisenoxid/Protein-Nanohybride, darunter Strukturen von etwa 5 nm, die für den Einsatz in der Magnetresonanztomographie und der Krebstherapie geeignet sind. Magnetische Nanopartikel können Wärme erzeugen, wenn sie einem wechselnden Magnetfeld ausgesetzt werden – eine Eigenschaft, die in der magnetischen Hyperthermie genutzt werden kann, um Krebszellen zu schädigen. Neben der Kernarbeit von ProteNano-MAG war Marcano auch an Studien beteiligt, in denen untersucht wurde, wie die Morphologie und die magnetischen Eigenschaften von Nanopartikeln die Wärmeentwicklung unter Wechselmagnetfeldern beeinflussen – was für die therapeutische Wirksamkeit von Bedeutung sein könnte. „Modulare Materialien, deren Größe, magnetische Eigenschaften, Zielelemente oder therapeutische Funktionalität angepasst werden können, könnten es uns letztendlich ermöglichen, Plattformen zu entwickeln, die auf bestimmte klinische Bedürfnisse zugeschnitten sind“, so Marcano. Gemeinsame Studien zu magnetotaktischen Bakterien lieferten zudem neue Erkenntnisse über die Beziehung(öffnet in neuem Fenster) zwischen der Morphologie von Nanopartikeln, der magnetischen Anisotropie und der Erwärmungseffizienz.
Auf dem Weg zu einer nachhaltigen Nanomedizin
Das ProteNano-MAG-Projekt hat den Machbarkeitsnachweis für den Einsatz gentechnisch veränderter Proteine zur umweltfreundlicheren Synthese magnetischer Nanopartikel erbracht. Die Verbindung von bildgebenden und therapeutischen Funktionen könnte letztlich gezieltere Behandlungsstrategien ermöglichen, auch wenn noch umfangreiche Forschungs- und Validierungsarbeiten erforderlich sind, bevor solche Anwendungen in die klinische Praxis umgesetzt werden können. Zu den nächsten Schritten gehören die Verbesserung der Reproduzierbarkeit und der Skalierbarkeit. Die Forschenden werden zudem umfassendere Untersuchungen zu Stabilität, Biokompatibilität, Toxizität, Biodistribution und therapeutischer Wirksamkeit durchführen. Der bioinspirierte Ansatz des Projekts steht zudem im Einklang mit umfassenderen Bemühungen, die Umweltauswirkungen der Herstellung fortschrittlicher Materialien zu verringern. Durch die Übertragung von in der Natur beobachteten Prinzipien auf kontrollierbare synthetische Systeme zeigt ProteNano-MAG, wie Nanotechnologie, Protein-Engineering und Biomedizin zusammenwirken können, um nachhaltigere Wege für zukünftige Krebsbehandlungstechnologien zu erschließen.
