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Colchicin Nanopartikel schleusen Wirkstoff in Krebszellen ein

| Autor / Redakteur: Valentina Cauda*, Hanna Engelke*, Anna Sauer*, Delphine Arcizet*, Christoph Bräuchle*, Joachim Rädle / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Krebszellen vermehren sich unkontrolliert und bedrohen so gesundes Gewebe. Ein Weg gegen ihre Ausbreitung könnte in Zukunft direkt über das Innere der kranken Zellen führen. In enger Zusammenarbeit ist es drei Arbeitsgruppen der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München und des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM) gelungen, den Wirkstoff Colchicin in konzentrierter Form mithilfe von Nanopartikeln direkt in Krebszellen einzuschleusen.

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Colchicin ist ein Naturstoff aus dem Samen der Herbstzeitlosen (Ausschnitt). (Bilder: LMU München/Fotolia)
Colchicin ist ein Naturstoff aus dem Samen der Herbstzeitlosen (Ausschnitt). (Bilder: LMU München/Fotolia)
( Archiv: Vogel Business Media )

In der modernen Krebstherapie gewinnt der zielgerichtete Medikamententransport direkt ins Krebsgewebe immer größere Bedeutung. Nanopartikel sind so klein, dass sie über die Zellmembran, welche die natürliche Barriere einer Zelle bildet, in deren Innenraum eindringen können. Diese Fähigkeit könnte in Zukunft gerade für die Behandlung von Krebszellen große Chancen bieten. In ersten Versuchen wurde bereits gezeigt, dass die mit Wirkstoffen beladenen Partikel diese gezielt in befallene Zellen transportieren. Die benötigte Medikamentendosis könnte dadurch deutlich verringert und damit auch mögliche unerwünschte Nebenwirkungen reduziert werden. Entscheidend hierfür ist jedoch, dass die Wirkstoffe bis zum Eintritt in die Zelle im Nanopartikel verbleiben. So haben sich Liposomen als Transporter von Medikamenten in der Krebstherapie bereits etabliert. Ein weiterer Ansatz, den mehrere interdisziplinäre Forschungsgruppen weltweit untersuchen, verwendet poröse Glasnanopartikel. Die Struktur der porösen Träger erlaubt die Beladung mit Wirkstoffen, die durch reversible chemische Modifikationen an der Glasoberfläche im Inneren der Partikel gehalten werden können. Eine Freisetzung der Medikamente erfolgt idealerweise nach dem Eintritt in das betroffene Gewebe, ausgelöst durch die Veränderung der äußeren Bedingungen. Typischerweise sind die Auslöser Veränderungen des pH-Wertes oder die reduzierenden Eigenschaften des Zellinneren.

In einem Kooperationsprojekt der drei Forschungsgruppen von Prof. Thomas Bein, Prof. Christoph Bräuchle (beide Fakultät für Chemie) und Prof. Joachim Rädler (Fakultät für Physik) der Ludwig-Maximilians-Universität München wurde ein neuer Ansatz entwickelt, der die Vorzüge von Liposomen und porösen Glasnanopartikeln vereint. Dabei wird ein poröser Glasnanopartikel von einer liposomalen Doppelschicht umspannt. Hierdurch gewinnt die Lipid-Struktur an Stabilität und kann dazu verwendet werden, in den Poren verpackte Wirkstoffe am frühzeitigen Austritt zu hindern. Um die Effektivität des Systems zu zeigen, wurde das ZellgiftColchicin als geladener Wirkstoff gewählt. Colchicin, ein Naturstoff aus dem Samen der Herbstzeitlosen, wirkt auf Zellen durch Depolymeriseration des Cytoskeletts (s. Abb. 1).

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Nanopartikel mit räumlich definierter Funktionalität

Der schrittweise Aufbau des Systems startet mit der Synthese von porösen Glasnanopartikeln nach einer Sol-Gel-Methode. Die poröse Struktur erhalten die Partikel durch Zugabe eines Tensids, welches unter bestimmten Konzentrationen stabförmige Mizellen bildet. Eine Kondensation der Glasvorläufer um die Mizellen führt dann zur Bildung poröser Strukturen. Eine Besonderheit des Materials ist die Art der organischen Funktionalisierung, die es im Anschluss erlaubt, die Oberfläche mit Farbstoffen zu besetzen. Die hierfür erforderlichen Aminogruppen werden ausschließlich an der äußeren Hülle der nanoskaligen, porösen Kugeln angebracht. Der Vorteil dieser Methode ist, dass das gesamte Porenvolumen für Frachtmoleküle genutzt werden kann oder sogar eine weitere Funktionalität räumlich getrennt eingeführt werden kann.

Charakterisierung des Systems erfolgt über Fluoreszenzmethoden

Die Größe der Partikel kann entweder mit Elektronenmikroskopie oder aber durch die Methode der dynamischen Lichtstreuung bestimmt werden. Für die anderen Charakteristika wie Porenvolumen oder spezifische Oberfläche wird Stickstoffsorption angewendet. Die erhaltenen Partikel sind ungefähr 50 bis 80 nm groß und kugelförmig (s. Abb. 2). Die Poren sind sternförmig zur Mitte hin angeordnet und haben einen Durchmesser von rund 4 nm. Ein Gramm der Partikel besitzt ein Porenvolumen von ca. einem Kubikzentimeter und eine Gesamtoberfläche von mehr als 1000 m2.

Die Partikel können anschließend in Ethanol suspendiert werden. Für gelöste Lipide bietet die Partikeloberfläche eine ideale Unterstützung. Durch eine starke Erhöhung der Wasserkonzentration bildet sich eine Lipiddoppelschicht um das Partikel als eine dichte Hülle (s. Abb. 3).

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