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Mikrofluidik mit magnetischen Bakterien Lebendige Mikropumpen für die Blutbahn?

Autor / Redakteur: Fabio Bergamin* / Christian Lüttmann

Lebendige Pumpen, die klein genug sind, um selbst in winzige Blutgefäße im menschlichen Körper zu passen? Forscher der ETH Zürich untersuchen, wie sich bestimmte Bakterien als Mikropumpen eignen. Die Bakterien lassen sich über ein Magnetfeld von außen steuern und könnten perspektivisch genutzt werden, um Krebswirkstoffe gezielter zu Tumoren zu führen.

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Bakterium der Gattung Magnetospirillum. Dank in einer Reihe angeordneter Eisenoxid-​Kristalle (gelbgrün) orientieren sie sich wie eine Kompassnadel im Magnetfeld.
Bakterium der Gattung Magnetospirillum. Dank in einer Reihe angeordneter Eisenoxid-​Kristalle (gelbgrün) orientieren sie sich wie eine Kompassnadel im Magnetfeld.
(Bild: Science Photo Library)

Zürich /Schweiz – Medikamente sollen im Idealfall nur dorthin gelangen, wo sie auch ihre Wirkung entfalten sollen. Krebsmedikamente sind zum Beispiel oft besonders aggressiv, um den Tumor vollständig zu zerstören – das macht sie aber auch gefährlich für gesundes Gewebe. Um die Nebenwirkungen auf den restlichen Körper zu reduzieren, verfolgen Wissenschaftler schon seit Jahren Ansätze, wie die Wirkstoffe im Körper möglichst präzise zu einem Tumor transportiert werden können.

Eine Idee ist, die Wirkstoffe in die Blutbahn zu injizieren und ihren Transport in den feinen Blutgefäßen von Tumoren mit winzigen Vehikeln zu steuern. So existieren in Forschungslabors Mikroroboter, die in Form und Antrieb von Bakterien inspiriert und klein genug sind, um in Blutgefäße zu passen. Diese Mikrovehikel lassen sich von außerhalb des Körpers über ein sich bewegendes Magnetfeld antreiben.

Simone Schürle, Professorin am Departement Gesundheitswissenschaften und Technologie, geht nun einen Schritt weiter: Statt von Bakterien inspirierte Mikroroboter möchte sie echte Bakterien verwenden, und zwar solche, die natürlicherweise magnetisch sind. Diese so genannten magnetotaktischen Bakterien wurde erstmals vor 45 Jahren im Meer entdeckt. Sie nehmen das im Wasser gelöste Eisen auf und bilden in ihrem Innern Eisenoxid-Kristalle, die sich in einer Reihe anordnen. Wie eine Kompassnadel richten sich die magnetotaktischen Bakterien am Erdmagnetfeld aus, um im Gewässer navigieren zu können.

Magnetische Bakterien als Mikropumpen

Schürle untersuchte mit ihrem Team, wie sich diese Bakterien im Labor ebenfalls über ein Magnetfeld steuern lassen, und wie man mit ihnen den Fluss von Flüssigkeiten kontrolliert beeinflussen kann. In den Experimenten reichten bereits verhältnismäßig schwache rotierende Magnetfelder, um die Bakterien zu steuern. Mit den rotierenden Feldern ließen die Wissenschaftler die Bakterien um ihre eigene Achse drehen. Und mit vielen Bakterien in einem Schwarm war es sogar möglich, die sie umgebende Flüssigkeit zu bewegen.

Die Bakterien erzeugen einen ähnlichen Effekt wie eine Mikropumpe und können so in der Flüssigkeit vorhandene Wirkstoffe in verschiedene Richtungen bewegen, wie zum Beispiel aus der Blutbahn heraus ins Tumorgewebe. Mithilfe von sich überlagernden Magnetfeldern, die sich örtlich gegenseitig verstärken oder auslöschen, kann man diese Pumpaktivität auf eine kleine Region punktgenau reduzieren, wie das Team um Schürle in Simulationen zeigte.

Zudem kann das Prinzip außerhalb des Körpers genutzt werden, um in kleinsten Gefäßen verschiedene Flüssigkeiten lokal miteinander zu mischen, ohne mechanische Mikropumpen fabrizieren und steuern zu müssen.

Living Therapeutics

In Schürles Arbeit ging es darum, den Ansatz zu erforschen und zu beschreiben, auf welche Weise die Bakterien den Fluss steuern können. Bevor solche Bakterien im menschlichen Körper angewandt werden können, muss erst noch deren Sicherheit untersucht werden. Bakterien aus medizinischen Gründen in den Körper zu bringen, ist allerdings ein Ansatz, den die Wissenschaft unter dem Begriff „Living Therapeutics“ bereits verfolgt, wenn auch mit anderen Bakterienarten wie zum Beispiel Kolibakterien.

Denkbar ist zudem, für eine künftige medizinische Anwendung eigens geschaffene Bakterien zu verwenden. Mittels synthetischer Biologie lassen sich Bakterien mit optimalen funktionellen Eigenschaften konstruieren, die im menschlichen Körper auch sicher sind und zum Beispiel keine allergischen Reaktionen auslösen. Schürle kann sich sowohl den Einsatz von Bakterien vorstellen, die abgetötet werden, bevor sie in den Körper eingebracht werden, als auch von lebenden Bakterien.

Designte Pump-Bakterien denkbar

Seit mehreren Jahrzehnten ist außerdem bekannt, dass sich bestimmte Bakterien, die ohne Sauerstoff auskommen, in Krebspatienten bevorzugt im sauerstoffarmen Gewebe von Tumoren anreichern. Untersucht wurde das in anderen Bakterien als den von Schürles Team verwendeten. Mittels synthetischer Biologie könnten die Vorzüge mehrerer Bakterienarten vereint werden. So könnten Bakterien entstehen, die sich dank eines eigenen Antriebs mit Flagellen (Geißeln) dem Tumor annähern und die man mit magnetischen Kräften von außen gezielt tief ins Tumorgewebe befördern kann.

Originalpublikation: Mirkhani N, Christiansen MG, Schuerle S: Living, Self‐Replicating Ferrofluids for Fluidic Transport, Advanced Functional Materials 2020, 30: Volume 30, Issue 40, October 1, 2020; DOI: 10.1002/adfm.202003912

* F. Bergamin, ETH Zürich, 8092 Zürich/Schweiz

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