Wissenschaftler aus Aachen entwickeln leistungsstarke Fluoreszenz-Partikel mit integriertem Abbaumechanismus. Bildgebende Verfahren spielen eine wichtige Rolle in der Medizin – bei der Diagnose von Krankheiten und bei der Umsetzung und Begleitung therapeutischer Maßnahmen. Um deutlichere Informationen aus dem Körper zu gewinnen und auch von tiefliegenden Gewebeschichten gute Bilder zu erzeugen, forschen Wissenschaftler des DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien, des Helmholtz-Instituts für Biomedizinische Technik und der Uniklinik RWTH Aachen gemeinsam an einer neuen Art von fluoreszierenden Partikeln.
Diese sollen zum Beispiel krankhaft verändertes Gewebe im Körper sichtbar machen. „Dabei ist es wichtig, dass die Partikel wieder aus dem Körper entfernt werden können, nachdem sie ihre Aufgabe erfüllt haben“, betont Dr. Alexander Kühne vom DWI. Die Forscher sind diesem Ziel nun einen bedeutenden Schritt näher gekommen, indem sie den Abbau der fluoreszierenden Partikel durch Zellen des Immunsystems ermöglichen.
Je nach medizinischer Fragestellung greifen Ärzte auf verschiedene Hilfsmittel zurück, um Organe und Gewebe im Körperinneren eines Patienten sichtbar zu machen. Ein Hilfsmittel sind winzige, künstliche Moleküle oder Partikel, die als Sonden genutzt werden und über die Blutbahn eines Patienten zu krankhaft verändertem Gewebe gelangen und sich an dieses anheften. Die Partikel können durch Laserstrahlung von außen im Körper des Patienten lokalisiert werden und helfen den Ärzten, die richtige Diagnose zu erstellen und eine geeignete Therapie einzuleiten oder zu überwachen.
Dabei sind jedoch einige Schwierigkeiten zu überwinden. Dr. Wiltrud Lederle von der Uniklinik erklärt: Nutzt man besonders kleine Sonden, werden diese sehr schnell wieder über die Niere ausgeschieden. Benutzt man größere Partikel, die lange im Körper zirkulieren, können sich diese unspezifisch in Zellen des Körpers einlagern und so auch gesundes Gewebe in Mitleidenschaft ziehen. Partikel aus konjugierten Polymeren – eine besondere Art organischer Makromoleküle – zeigen keine schädliche Wirkung auf die Zellen und weisen ein besonders starkes Fluoreszenz-Signal auf. Damit werden sie auch in bis zu fünf Zentimeter tiefem Gewebe noch detektiert. Außerdem können zusätzliche Funktionen in diese Polymer-Partikel eingebaut werden. Beispielsweise lassen sich biologische Komponenten einbringen, die Zellen eines bestimmten Tumors erkennen und sich daran anheften. Sie kamen aber bislang nicht in Patienten zum Einsatz, denn es gab keine Möglichkeit, die konjugierten Polymerpartikel anschließend wieder aus dem Körper zu entfernen. Oft sind sie bis zu einem Mikrometer groß und können daher nicht über die Niere ausgeschieden werden, die maximal fünf oder sechs Nanometer große Partikel passieren lässt. Größere Teilchen werden durch Makrophagen, also Zellen des Immunsystems aufgenommen und sammeln sich schließlich in der Leber, Lunge oder der Milz an. Dort würden auch die konjugierten Polymerpartikel auf Dauer zu unerwünschten Nebeneffekten führen.
Die Forscher aus Aachen sahen in den konjugierten Polymeren dennoch ein großes medizinisches Potenzial und suchten nach einer Lösung für das Problem. „Wir konnten eine Art Sollbruchstelle in die konjugierten Polymere einbauen“, sagt Kühne. „Hierfür nutzen wir eine bestimmte chemische Stoffgruppe, einen so genannten Imidazolring.“ Der Imidazolring reagiert mit reaktiven Sauerstoffgruppen, wie sie im Inneren von aktivierten Makrophagen vorhanden sind. In Zellkulturversuchen zeigten die Wissenschaftler, dass die Polymerpartikel auf diese Weise in den Makrophagen zu kleinen, wasserlöslichen Molekülen abgebaut werden. Bei einer Anwendung im Menschen könnten diese Abbauprodukte über die Niere ausgeschieden werden. „Der biologische Abbau ist vielversprechend. Wir starten nun weitere Versuchsreihen, um die Partikel langfristig für die medizinische Bildgebung, aber auch für den gezielten Wirkstofftransport im Körper eines Patienten zu nutzen“, so Lederle.
Der Artikel zu dieser Arbeit ist nun frei erhältlich in Nature Communications erschienen: https://www.nature.com/articles/s41467-017-00545-0