Biodynamisch programmierbares Robotersystem

Krebs-bekämpfende Nanobots werden zur Tumor-Jagd programmiert

| Autor / Redakteur: Sebastian Gerstl / Rainer Graefen

Wissenschaftler der Arizona State University (ASU) und des National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) haben erfolgreich Nanoroboter programmiert, um Tumore zu schrumpfen, indem sie ihre Blutversorgung unterbrechen.
Wissenschaftler der Arizona State University (ASU) und des National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) haben erfolgreich Nanoroboter programmiert, um Tumore zu schrumpfen, indem sie ihre Blutversorgung unterbrechen. (Bild: Baoquan Ding / Hao Yan)

Ein Meilenstein in der Krebsbehandlung scheint gefunden. Einem amerikanisch-chinesischem Forscherteam ist es gelungen, Nanoroboter erfolgreich so zu programmieren, dass sie gezielt Tumore angreifen. Indem sie deren Blutversorgung unterbrechen, werden die wuchernden Zellen abgetötet, ohne dass gesundes Gewebe zu Schaden kommt.

"Wir haben das erste vollständig autonome DNA-Robotersystem für ein sehr präzises Arzneimitteldesign und eine zielgerichtete Krebstherapie entwickelt", sagt Hao Yan, Direktor des Center for Molecular Design and Biomimetics des Biodesign Institutes der Arizona State University (ASU). "Zudem ist diese Technologie eine Strategie, die für viele Arten von Krebs eingesetzt werden kann, da alle soliden Blutgefäße, die von Tumoren gespeist werden, im Wesentlichen gleich sind", sagte Yan.

Yan ist ein Experte auf dem Gebiet des DNS-Origami. Die Faltung von DNS-Strängen erlaubt die Fertigung molekularer "Nano-Maschinen", die gezielt auf bestimmte Rezeptoren im Körper angesetzt und zur Durchführung von Aufgaben programmiert werden können - in der Hoffnung, eines Tages Computer, Elektronik und Medizin zu revolutionieren. Nano-Medizin gilt als ein großer Zukunftsbereich, der eines Tages eine möglichst nicht-invasive Behandlung von Organen und Tumoren möglich machen könnte.

In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich diese Technik immer weiter verfeinert und so die Entwicklung von immer komplexeren "Nano-Robotern" möglich gemacht. Die Bausteine für den Bau ihrer Strukturen beziehen die Forscher aus DNA, die sich in alle möglichen Formen und Größen selbst falten kann - alles in einem Maßstab, der 1.000 Mal kleiner ist als die Breite eines menschlichen Haares.

Suchen und zerstören

Eine große Schwierigkeit in der Nanomedizin bestand darin, Nanomaschinen zu bauen und kontrollieren, die aktiv nach Krebsgeschwülsten suchen und diese zerstören, ohne dabei gesunde Zellen zu schädigen. Das internationale Forscherteam aus Wissenschaftlern der Arizona State University und des National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) in Peking, China, hat nun eine scheinbar einfache Lösung für das Problem gefunden: Ihre Nanoroboter können einen Tumor sehr selektiv angehen und effektiv aushungern.

Die Arbeit wurde vor etwa fünf Jahren begonnen. Die NCNST-Forscher wollten zunächst die Tumorblutversorgung gezielt unterbrechen, indem sie die Blutgerinnung mit hoher therapeutischer Wirksamkeit und Sicherheitsprofilen in mehreren soliden Tumoren mit Hilfe von DNA-basierten Nanocarriern induzieren. In Kooperation mit den Wissenschaftlern der ASU um Yan wurde dieses Nanobot-Design zu einem voll programmierbaren Robotersystem aufgewertet, das in der Lage ist, seine Mission ganz alleine zu erfüllen.

"Diese Nanoroboter können so programmiert werden, dass sie molekulare Nutzlasten transportieren und vor Ort Tumorblutversorgungsblockaden verursachen, die zu Gewebetod und Schrumpfung des Tumors führen können", sagt Baoquan Ding, Professor am NCNST.

Zur Durchführung ihrer Studie nutzten die Wissenschaftler ein bekanntes Maus-Tumormodell, bei dem menschliche Krebszellen in eine Maus injiziert werden, um aggressives Tumorwachstum zu induzieren. Sobald der Tumor wuchs, wurden die Nanoroboter zur Rettung eingesetzt.

Molekül-große Angriffsmaschinen

Jeder Nanoroboter besteht aus einem flachen, rechteckigen DNS-Origami-"Blatt", das 90 Nanometer mal 60 Nanometer groß ist. Ein wichtiges Blutgerinnungsenzym, Thrombin genannt, befindet sich an deren Oberfläche.

Thrombin kann die Durchblutung des Tumors blockieren, indem es das Blut in den Gefäßen gerinnen lässt, die das Tumorwachstum speisen. Die Folge ist ein miniaturisierter Infarkt des Tumors, der mittelbar zum Absterben des wuchernden Gewebes führt.

Die Wissenschaftler gingen in ihrer Behandlung wie folgt vor:

  • Zunächst wurden durchschnittlich vier Thrombinmoleküle an ein flaches DNS-Gerüst angeheftet.
  • Dann wurde das flache DNS-Blatt wie ein Blatt Papier zu einem Kreis gefaltet, um so letzlich ein hohles Rohr zu erhalten.
  • Diese Nanokonstrukte wurden mit einer Infusion in eine Maus gespritzt, reisten dann durch die Blutbahn und suchten nach den Tumoren.

Der Schlüssel zur Programmierung eines Nanoroboters, der nur eine Krebszelle angreift, war die Aufnahme einer DNS-Aptamer genannten Nutzlast. Der DNS-Aptamer ist in der Lage, ein spezifisches, Nukleolin genanntes Protein anzuvisieren. Dieses wird in hohen Mengen nur auf der Oberfläche von Tumorendothelzellen hergestellt - und ist nicht auf der Oberfläche gesunder Zellen zu finden.

Der Nanoroboter funktioniert dann so ähnlich wie das mythologische trojanische Pferd: Einmal unerkannt am Tumor angelangt ist das Molekül so programmiert, dass es seine Thrombin-Ladung in den Tumor injiziert.

Wie die Wissenschaftler in ihrer Studie aufzeigen, gehen die Nanoroboter sicher und effizient beim Aufspüren und Schrumpfen der Tumore vor. Bei Tests in Mäusen und bei Bama-Miniaturschweinen verhielten sie sich immunologisch inert. Weder lösten sie Abwehrmechanismen im Körper aus, noch griffen sie gesundes Gewebe an. Vor allem gab es keine Hinweise darauf, dass sich die Nanoroboter ins Gehirn ausbreiten und dort unerwünschte Nebenwirkungen wie einen Schlaganfall verursachen könnten.

Beim Vorhandensein des Tumorgewebes blockierte die Behandlung dagegen dessen Blutversorgung. Innerhalb von 24 Stunden konnten die Forscher eine Schädigung des Tumorgewebes feststellen, ohne dass dies Auswirkungen auf das gesunde Gewebe hatte. Nach dem Angriff auf Tumore wurden die meisten Nanoroboter nach 24 Stunden aus dem Körper entfernt und abgebaut. Zwei Tage später gab es Hinweise auf eine fortgeschrittene Thrombose am Tumorgewebe, nach drei Tagen wurden Thromben in allen Tumorgefäßen beobachtet.

Im Melanom-Mausmodell zeigten drei von acht Mäusen, die die Nanoroboter-Therapie erhielten, letztendlich sogar eine vollständige Rückbildung der Tumore. Die mediane Überlebenszeit hat sich mehr als verdoppelt und reicht von 20,5 bis 45 Tagen.

Für Yan stellt diese einen wichtigen Meilenstein und "das Ende des Anfangs" der Disziplin Nanomedizin dar. Er und seine Mitarbeiter suchen nun aktiv nach klinischen Partnern, um die Technologie weiterzuentwickeln.

Die erfolgreiche Demonstration der Technologie, die erste ihrer Art bei Säugetieren mit Brustkrebs-, Melanom-, Eierstock- und Lungenkrebs-Mausmodellen, wurde in der Zeitschrift Nature Biotechnology veröffentlicht.

* Diesen Beitrag haben wir von unserem Partnerportal Elektronik Praxis übernommen.

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