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Nanopropeller liefern genetisches Material an Zellen Minimagnete zur Krankeitsbekämpfung

| Autor / Redakteur: Dr. Kristin Beck / Christian Lüttmann

Antibiotika oder Krebsmedikamente schwächen auch gesunde Teile des Körpers. Daher ist eine gezielte Wirkstofffreisetzung besonders wichtig. Hier könnten magnetische Nanopropeller helfen, die am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme mitentwickelt wurden. Damit haben die Forscher bereits Leuchtgene in Tumorzellen eingeschleust. In Zukunft könnten auch Wirkstoffe transportiert werden.

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Mit Eisen-Platin-Nanopropellern lassen sich Zellen genetisch so modifizieren, dass diese einen grünen Fluoreszenzfarbstoff produzieren.
Mit Eisen-Platin-Nanopropellern lassen sich Zellen genetisch so modifizieren, dass diese einen grünen Fluoreszenzfarbstoff produzieren.
(Bild: MPI für Intelligente Systeme )

Stuttgart – Nanoroboter, die im menschlichen Körper Medikamente gezielt an den Krankheitsherd transportieren – noch ist dies eine Wunschvorstellung. Doch erste Prototypen für solche winzigen Maschinen sind bereits in der Entwicklung. So haben etwa Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) magnetische Nanopropeller entwickelt, die in Zukunft neue Verfahren in der Medizin und bei minimal-invasiven Operationen ermöglichen könnten.

„Die fantastisch klingende Idee, dass magnetisch gesteuerte Nanopropeller eines Tages die präzise Abgabe von Genen oder Medikamenten ermöglichen könnten, birgt großes Potenzial für die Medizin. Wir sind dieser Vision nun einen kleinen Schritt nähergekommen“, sagt Peer Fischer, der das Mikro, Nano und Molekulare Systeme Labor leitet.

Magnetismus und Biokompatibilität in Bakteriengröße

Eine große Herausforderung beim Einsatz magnetischer Nanopartikel in der Biomedizin besteht darin, dass einige magnetische Materialien hohe Toxizität aufweisen (Nickel, Kobalt). Andere sind nur schwer herzustellen (Zinkferrit), weisen geringe chemische Stabilität auf (Eisen korrodiert) oder sie besitzen nur sehr schwache magnetische Momente (Eisenoxide). Die in vielen Bereichen eingesetzten Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) Supermagnete wiederum können bislang nicht in dieser kleinen Größe hergestellt oder verwendet werden. Daher ist es schwierig, ein geeignetes magnetisches Material für Anwendungen im Nanobereich zu finden.

Das Team um MPI-Forscher Fischer hat nun spiralförmige Nanopropeller hergestellt, die nur so groß sind wie ein Bakterium und all diese Einschränkungen überwinden sollen. Diese neuen Nanopropeller basieren auf der so genannten L10-Eisen-Platin-Legierung. Sie sollen den Wissenschaftlern zufolge die stärksten bekannten Mikromagnete (NdFeB) übertreffen, und dabei chemisch stabil und biokompatibel sein.

Stärker als Neodym-Magnete

Zwei Mikrometer lange und 500 Nanometer breite Eisen-Platin-Nanopropeller werden verwendet, um Zellen genetisch zu modifizieren, die daraufhin grün fluoreszieren.
Zwei Mikrometer lange und 500 Nanometer breite Eisen-Platin-Nanopropeller werden verwendet, um Zellen genetisch zu modifizieren, die daraufhin grün fluoreszieren.
(Bild: MPI für Intelligente Systeme )

Die herausragenden magnetischen Eigenschaften des verwendeten Eisen-Platin-Materials wurden zuvor durch die Abteilung für Moderne Magnetische Systeme am MPI-IS unter der Leitung von Gisela Schütz entwickelt. „Es ist uns gelungen, FePt-Nanomagnete herzustellen, die etwa 50% stärker sind als die besten Neodym-Verbindungen der Welt“, sagt Schütz.

Mittels eines speziellen Herstellungsprozesses im Hochvakuum gelang es den Forschern, in wenigen Stunden Milliarden an schraubenförmigen Nanopropellern herzustellen. Die winzigen Magnete wurden zum Abschluss ihres Herstellungsprozesses eine Stunde bei fast 700 °C geglüht.

Gentransport im Laborversuch erfolgreich

In Experimenten belegten die Forscher, dass sich die biokompatiblen Propeller zu Zellen steuern lassen und Gene liefern können. Sie beluden dazu die Propeller zunächst mit DNA, die Information für ein grün fluoreszierendes Protein trug. Die Propeller transportierten diese DNA ins Innere von Lungenkarzinomzellen, die daraufhin grün zu leuchten begannen.

Die Forscher konnten die Propeller präzise durch das Zellmedium steuern. Aufgrund der hartmagnetischen Eigenschaften, die mit denen starker Neodym-Mikromagnete vergleichbar sind, stellen die Propeller außerdem die schnellsten dar, die je im Mikro, Nano und Molekulare Systeme Labor entwickelt wurden: sie können in einer Sekunde eine Strecke ihrer 13-fachen Länge zurücklegen.

Wie die Nanopropeller in Aktion aussehen, zeigt dieses Video des MPI-IS. Der kleine Punkt, der in der Mitte der rechten Bildhälfte seinen Weg startet, ist ein solcher Nanopropeller.

Die Studie zeige, dass FePt großes Potenzial für den Einsatz in der Mikrorobotik und in einer Vielzahl biomedizinischer Anwendungen aufweise. „Der gezielte Transport von Antibiotika durch biokompatible Nanopropeller könnte eine neue, intelligente Strategie darstellen, um das große Problem der antimikrobiellen Resistenz anzugehen“, sagt Ko-Autor Maximiliano Gutierrez.

Originalpublikation: Vincent Mauricio Kadiri, Claudio Bussi, Andrew W. Holle, Kwanghyo Son, Hyunah Kwon, Gisela Schütz, Maximiliano G. Gutierrez, Peer Fischer: Biocompatible Magnetic Micro‐ and Nanodevices: Fabrication of FePt Nanopropellers and Cell Transfection, Advanced Materials (2020); DOI: 10.1002/adma.202001114

* Dr. K. Beck, Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde (IOW), 18119 Rostock

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