Wissenschaftstage: Fluoreszierende Nanopartikel verbessern die Diagnostik

Wissenschaftstage: Fluoreszierende Nanopartikel verbessern die Diagnostik

Am vergangenen Donnerstag fand im Güterschuppen des Ulricianums der zweite Vortrag der diesjährigen Auricher Wissenschaftstage statt. Eindrucksvoll konnten die Zuhörer erleben, welchen Weg die Wissenschaftstage einem ehemaligen Ulricianer aus dem Abiturjahrgang 2002, der im Jahr 2000 selbst als Stipendiat an einem Praktikum an einer naturwissenschaftlichen Forschungseinrichtung teilgenommen hatte, gezeichnet haben. Dr. Dirk Ortgies von der Universität Madrid berichtete von seinen Forschungen im Bereich der Materialwissenschaften und führte in seinem Referat unter dem Titel „Funktionsvielfalt im Kleinsten – Nanopartikel für Bildgebung und Diagnostik“ in einen Teilbereich der Nanotechnologie ein. Das Ziel sei, so Ortgies, Erkenntnisse der Technik für ein längeres Leben zu nutzen und zudem die Sensibilität der Technik zu verbessern. Beide Ansätze zogen sich dann auch wie ein roter Faden durch den Abend und wurden am Beispiel der Fluoreszenzmikroskopie dargestellt. Da die Möglichkeiten der klassischen Optik bereits ausgereizt seien und die Funktionsweise eines Mikroskops somit kaum noch verbessert werden könne, erlaubten es die fluoreszierenden Nanopartikel, die Auflösung weiter zu verbessern. Nanopartikel sind Teilchen im Größenbereich von 1-100 nm und damit ungefähr so groß wie die kleinsten biologisch aktiven Körper wie Antikörper oder Viren. Als mögliche Stoffe stellte Ortgies metallische Nanopartikel, zumeist Gold, so genannte Quantenpunkte, eine Stoffgruppe von Halbleitern, organische Nanopartikel wie Liposomen, Mizellen und Polymere, Kohlenstoffpartikel wie Graphen oder Nanoröhren sowie seltene Erden, also entsprechend dotierte Nanopartikel vor.
Die Herausforderung sei zum einen, Krebstumore durch lokal begrenztes Erhitzen zu töten und somit eine auch für die Humanmedizin relevante Form der Photothermaltherapie zu entwickeln. Da die Fluoreszenz temperaturabhängig ist, werde so ein Nanothermometer ermöglicht, mit dessen Hilfe gezielt schädliche Krebszellen markiert und zerstört werden könnten. Außerdem werde es durch den Einsatz von Nanopartikel einfacher, die optische Bildgebung in lebendem Gewebe zu verbessern. Im Gegensatz zum klassischen Verfahren der Kernspintomographie könne die Bildgebung mit fluoreszierenden Nanopartikeln bereits mit einem Laser, einer Kamera und den entsprechenden Stoffen arbeiten, so dass besonders die Betriebskosten deutlich reduziert werden. Am Beispiel der Aufnahmen einer Maus verdeutlichte Ortgies dabei, dass die Intransparenz der Haut bisweilen noch zu verfälschten Ergebnissen führe, weil die Fluoreszenz bevorzugt an der dünnsten Hautstelle und nicht zwangsläufig über dem tatsächlich fluoreszierenden Gewebe durchscheint.
Anschließend erläuterte Ortgies die Vorgehensweise bei der Entwicklung. Seine Forschungsgruppe habe zunächst auf von einem Polymer ummantelte Schwermetallsulfide zurückgegriffen, da das Polymer Polyactid-co-Glycolid bereits für medizinische Anwendungen zugelassen gewesen sei. Die Temperaturempfindlichkeit dieses Nanopartikels liege ausgerechnet gerade im Bereich von 30-40 °C, so dass eine optimale Anwendung bei Körpertemperatur gegeben sei. Anschaulich erfuhren die Zuhörer, dass die Forscher zuerst ex vivo mit Hühnerbrustfilet experimentierten, bevor sie dabei später auch in vivo mit lebenden Mäusen arbeiteten.
Als zukünftige Herausforderungen stellte Ortgies abschließend die Kombination verschiedener Systeme, die orale Einnahme anstelle der Injektion und die Anbindung an Zielmoleküle beispielsweise durch Antikörper dar. Auch könne die Infrarottechnik weiter verbessert werden, um in tiefere Gewebeschichten eindringen zu können, und eventuell auch die Kombination der fluoreszierenden Nanopartikel mit der Endoskopie erfolgreich sein. Zu klären sei allerdings noch eine mögliche toxikologische Wirkung der Stoffe, wenngleich das messbare Signal nach einiger Zeit aus dem lebenden Körper verschwinde: Das Polymer sei ähnlich wie chirurgisches Nahtmaterial biologisch abbaubar, und die Nanopartikel würden über die Leber und die Niere wieder mit dem Urin ausgeschieden. In 15 bis 20 Jahren rechnet Ortgies mit der Anwendung dieser Verfahren in der Humanmedizin.
Vor dem Vortrag von Dirk Ortgies hatte bereits die Ulricianerin Imke Meyerholz aus dem 11. Jahrgang von ihrem Praktikum beim DESY Zeuthen bei Berlin, dem kleineren Standort der bekannten Hamburger Forschungseinrichtung DESY, in den vergangenen Herbstferien berichtet. Dabei bekam sie am PITZ (Photo-Injektor Teststand Zeuthen) einen spannenden Einblick in die Entwicklung und Konstruktion neuer Bauteile für den dortigen Teilchenbeschleuniger.

 

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Text: Matthias Bollmeyer