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Therapie neurodegenerativer Krankheiten

Diamantenschmuggel an der Blut-Hirn-Schranke

| Autor / Redakteur: Dr. Christian Schneider / Christian Lüttmann

Mit Albumin beschichtete Nanodiamanten können die Blut-Hirn-Schranke überwinden und gezielt für Diagnose- und Therapiezwecke im Gehirn verwendet werden.
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Mit Albumin beschichtete Nanodiamanten können die Blut-Hirn-Schranke überwinden und gezielt für Diagnose- und Therapiezwecke im Gehirn verwendet werden. (Bild: / MPI-P / CC BY-SA NaN)

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Grenzen haben einen Zweck, können aber auch hinderlich sein: Zwischen Gehirn und dem restlichen Körper sorgt die Blut-Hirn-Schranke dafür, dass keine Schadstoffe über den Blutkreislauf zum Gehirn gelangen. Doch manchmal hindert sie auch Medikamente gegen neurodegenerative Krankheiten am Passieren. Um Wirkstoffe gezielt vorbeizuschmuggeln, haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung nun beschichtete Nanodiamanten als Grenzgänger untersucht.

Mainz – Die moderne Medizin erlaubt erstaunliche Einblicke in den Körper. Heute kennen wir die Funktionen und Fehlfunktionen der Organe sehr detailliert und können viele Krankheiten gezielt behandeln. Das Gehirn stellt aber eine besonders große Herausforderung für Mediziner dar. Denn Bilder des menschlichen Gehirns aufzunehmen sowie Therapien gegen neurodegenerative Erkrankungen zu entwickeln, ist selbst in der aktuellen medizinischen Forschung noch immer mit großen Schwierigkeiten verbunden. Eine Hürde, die es dabei zu überwinden gilt, ist die Blut-Hirn-Schranke, eine Art Filtersystem des Körpers zwischen Blutkreislauf und dem Zentralen Nervensystem.

Eine lebenswichtige Schranke im Kopf

Die Blut-Hirn-Schranke ist eine physiologische Grenzschicht, die hochselektiv arbeitet und das Gehirn hiermit schützt: Sie hindert Krankheitserreger oder Gifte am Eindringen in das Gehirn, lässt aber benötigte Boten- und Nährstoffe passieren. Diese Selektivität macht es für Mediziner allerdings schwierig, das Gehirn zu untersuchen oder zu behandeln, da manche Medikamente oder auch kontrastgebende Mittel für bildgebende Verfahren die Barriere nicht überwinden können.

Ein Forscherteam des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) und der Universitäten Ulm und Mainz hat nun einen möglichen Weg zum gezielten Passieren der Blut-Hirn-Schranke untersucht. Die Wissenschaftler haben winzig kleine Diamanten hergestellt und deren Eignung als Diagnose- und Therapieverfahren geprüft.

Nanodiamanten als Wirkstoffschmuggler

Um mit den Nanodiamanten in Zukunft Wirkstoffe oder Kontrastmittel durch die Schranke bringen zu können, haben die Wissenschaftler sie auf zwei Weisen verändert: Die eine Veränderung war eine Beschichtung mit einem Biopolymer, basierend auf dem häufigsten Protein des menschlichen Blutes „Serum Albumin“. Dies ermöglicht die Aufnahme in das Gehirn und erlaubt es später, Medikamente mit dem Diamanten zu verbinden. „Diamanten sind chemisch nicht reaktiv – das heißt Medikamentenmoleküle anzubinden ist schwierig“, sagt Prof. Dr. Tanja Weil vom MPI-P. „Mit der Albumin-Beschichtung haben wir die Möglichkeit, eine stabile Beschichtung zu erzeugen und fast beliebige Medikamente daran anzubinden“, ergänzt ihre Kollegin Dr. Jana Hedrich.

Als weitere Modifikation wurde in den Diamanten gezielt ein Defekt eingebaut, indem ein Kohlenstoffatom aus dem Diamantgitter durch ein Stickstoffatom ausgetauscht wurde. Direkt neben diesem Stickstoff liegt dann eine Leerstelle im Kristall. „Ein Diamant ist normalerweise sehr klar und im Idealfall lupenrein – Licht kann also einfach hindurchgehen. Indem wir nun gezielte Änderungen in der Gitterstruktur vornehmen, erzeugen wir Defekte, die es uns erlauben, den Diamanten durch Laserstrahlen oder auch durch Magnetresonanztomographen nachzuweisen: Er leuchtet sozusagen“, erläutert Hedrich. Auf diese Art und Weise können die Forscher den Diamanten auch zu Diagnosezwecken einsetzen – er wird selbst zum Kontrastmittel.

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Individuelle Therapien ermöglichen

Die Wissenschaftler haben bereits im Reagenzglas wie auch an Mäusen getestet, in wieweit das Diamanten-Albumin-System die Blut-Hirn-Schranke überwinden kann. Sie haben einen effektiven Transport der Diamanten in das Gehirn nachgewiesen, ohne dass dabei die Blut-Hirn-Schranke selbst angegriffen wurde.

Das neu entwickelte System habe den Vorteil, dass es an die zu behandelnde Person angepasst werden könne und so eine hochindividuelle Diagnostik und Therapie erlaube. Prinzipiell könnte man die Oberfläche der Diamanten z.B. so modifizieren, dass nur bestimmte Zelltypen im Gehirn mit Medikamenten versorgt werden und so Tumore gezielt therapiert werden.

Die Wissenschaftler sehen in ihrem System einen wichtigen Schritt in Richtung der Diagnose sowie Behandlung von Erkrankungen des Gehirns, wie neurodegenerativer Erkrankungen oder auch Hirntumore. Mit ihrer Kombination von leuchtenden Diamanten mit verträglichen Biopolymeren haben sie nach eigenen Angaben zum ersten Mal ein System entwickelt, welches die Vorteile einer hohen Biokompatibilität, einer langen Stabilität, einer einfachen Kombination mit verschiedenen Medikamenten sowie einer Nachweismöglichkeit durch medizinische Verfahren vereint.

Originalpublikation: Moscariello, P.; Raabe, M.; Liu, W.; Bernhardt, S.; Qi, H.; Kaiser, U.; Wu, Y.; Weil, T.; Luhmann, H. J.; Hedrich, J.: Unraveling In Vivo Brain Transport of Protein‐Coated Fluorescent Nanodiamonds, Small (2019); DOI: 10.1002/smll.201902992

* Dr. C. Schneider, Max-Planck-Institut für Polymerforschung, 55128 Mainz

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