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Nanomaterial Photoaktive Nanomaterialien im Kampf gegen Krebs und Keime

Autor / Redakteur: Cristian A. Strassert* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Phototherapeutische Wirkstoffe haben bedeutendes Therapiepotenzial. Mit der Nanotechnologie können multifunktionale Strukturen mit gezielter Zytotoxizität und Markierungsmöglichkeiten hergestellt werden. Kombiniert ergeben sich völlig neue Möglichkeiten z.B. bei der Bekämpfung multiresistenter Keime.

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Abb. 1: Ein multifunktionales, hybrides Nanomaterial, welches an Bakterien anbindet, sie sichtbar macht und mit ungefährlichem rotem Licht inaktiviert, eröffnet neue Möglichkeiten für die Behandlung infektiöser und neoplastischer Erkrankungen.
Abb. 1: Ein multifunktionales, hybrides Nanomaterial, welches an Bakterien anbindet, sie sichtbar macht und mit ungefährlichem rotem Licht inaktiviert, eröffnet neue Möglichkeiten für die Behandlung infektiöser und neoplastischer Erkrankungen.
(Bild: C. Strassert)

Photonik ist die Wissenschaft vom Licht. Nanophotoniker studieren das Verhalten des Lichts im Bereich weniger Nanometer. Ein Nanometer ist der Millionste Teil eines Millimeters, tausendfach dünner als ein menschliches Haar. Mithilfe der Erkenntnisse aus der Nanophotonik lassen sich Materialien in ihrer atomaren Struktur modifizieren. Das eröffnet bisher undenkbare Horizonte. Die Nanophotonik gehört daher zu den wichtigsten Zukunftsfeldern, denn sie könnte die Telekommunikation, die medizinische Diagnostik oder die Beleuchtungstechnik revolutionieren.

Zwei Beispiele: Organische, Licht emittierende Dioden bestehen aus nanometerdünnen Schichten, die elektrisch aktivierbar sind und potenziell mit hundertprozentiger Effizienz leuchten können – sogar auf flexiblen Substraten und ohne Wärmeverluste. Und Nanoteilchen, die erkranktes Gewebe simultan erkennen, markieren und behandeln können, sind konstruierbar – vorausgesetzt, ihre Abbaubarkeit kann gewährleistet werden.

Um bei der Medizin zu bleiben: Phototherapeutische Wirkstoffe bieten ein wirksames Arsenal zur Behandlung von Krebs oder infektiösen Krankheiten, während mit der Nanotechnologie multifunktionale Strukturen mit gezielter Zytotoxizität und Markierungsmöglichkeiten hergestellt werden können. Diese Strukturen müssen sowohl robust, gut charakterisiert als auch in industriellen Maßstäben produzierbar sein. Kombiniert man phototherapeutische Wirkstoffe mit speziell funktionalisierten Nanostrukturen, ergeben sich völlig neue Möglichkeiten beispielsweise bei der Bekämpfung multiresistenter Keime.

Drei Eigenschaften in einem Nanopartikel vereint

Gerade die zunehmende Resistenz von Bakterien gegen Antibiotika ist eine große Herausforderung für Mediziner. Bei der Bekämpfung von resistenten Krankheitserregern stehen Ärzte mit stumpfer Waffe da – denn Infektionen mit solchen Erregern können nur schwer oder im schlimmsten Fall gar nicht behandelt werden. Im Rahmen ihrer wissenschaftlichen Tätigkeit am „CeNTech“ entwickelten Cristian A. Strassert und Rodrigo Q. Albuquerque zusammen mit anderen Kollegen deswegen ein Nanomaterial, das antibiotikaresistente Bakterien abtötet.

In diesem Forschungsprojekt, das unter dem etablierten Motto „Research in Germany – Land of Ideas“ im Rahmen der internationalen „Themenkampagne Medizintechnik“ des Bundesforschungsministeriums als eines von mehreren Vorzeigeprojekten des Netzwerkes Bio Nano Med Tech rund um das „CeNTech“ und die Westfälische Wilhelms-Universität Münster einer internationalen Forschergemeinde präsentiert wird, wurde erstmals gezeigt, dass es möglich ist, Nanopartikel mit drei Funktionen auszustatten: Die Partikel heften sich gezielt an Bakterien an, markieren sie und töten sie schließlich ab.

Als Ausgangsmaterial verwenden die Forscher so genannte Zeolith-L-Nanokrokristalle. In einem einfachen und kostengünstigen Verfahren werden diese Nanopartikel mit einer Komponente versehen, durch die eine Anheftung der Partikel an die Bakterienoberfläche ermöglicht wird. Zusätzlich werden die Partikel mit einem Farbstoff ausgestattet, der unter dem Fluoreszenzmikroskop grün leuchtet und die Bakterien sichtbar macht. Die Wirksamkeit der Nanopartikel beruht auf der Methode der „photodynamischen Therapie“: Bei Bestrahlung mit Licht wird eine Reaktion in Gang gesetzt, durch die die Bakterienzellen abgetötet werden. Dazu heften die Forscher einen dritten Stoff an die Mikrokristalle an, der durch rotes Licht aktiviert wird und bestimmte aggressive Sauerstoff-Moleküle erzeugt. Diese Sauerstoff-Moleküle – „Singulett-Sauerstoff“ – starten eine Reaktionskette, welche die Bakterienzelle zerstört [1].

Eine Technologie – zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten

Nachdem die Grundlagen des Verhaltens der Farbstoffmoleküle an den Kristalloberflächen erforscht sind [2], werden derzeit weitere Nanomaterialien entwickelt, die sich durch eine bessere Wasserlöslichkeit und Abbaubarkeit auszeichnen [3]. Des Weiteren muss der Zusammenhang zwischen deren strukturellen Eigenschaften und ihrer Effizienz gegenüber gramnegativen und grampositiven Bakterien verstanden werden, um diese zielorientiert zu optimieren.

Nicht nur für den Einsatz in der Medizin sind solche Aspekte relevant: Die Nanomaterialien sollen so weiterentwickelt werden, dass sie auch auf Sonnenlicht reagieren. Beschichtet man mit ihnen lichtdurchlässige Wasserbehälter, beispielsweise Solarkollektoren, und leitet Trinkwasser durch die Behälter, ließe sich dieses unter Sonneneinstrahlung dekontaminieren.

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Ein solches Verfahren birgt sozioökonomisches Potenzial, denn es würde in vielen infrastrukturschwächeren Regionen dieser Erde dazu beitragen, die Versorgung der Menschen mit sauberem Trinkwasser nachhaltig zu verbessern. Auf diese Weise ließe sich mithilfe des Sonnenlichts Wasser ohne den Einsatz teurer Chemikalien von schädlichen Keimen befreien.

Literatur

[1] Cristian A. Strassert, Matthias Otter, Rodrigo Q. Albuquerque, Andrea Höne, Yolanda Vida, Berenike Maier, Luisa De Cola: Photoactive Hybrid Nanomaterial for Targeting, Labeling, and Killing Antibiotic-Resistant Bacteria. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 7928, DOI: 10.1002/anie.200902837

[2] Grüner M, Siozios V, Hagenhoff B, Breitenstein D, Strassert CA.: Structural and Photosensitizing Features of Phthalocyanine-Zeolite Hybrid Nanomaterials. Photochem. Photobiol. 2013, Jul 15, DOI: 10.1111/php.12141

[3] Jens Voskuh, Ulrike Kauscher, Malte Gruener, Hendrik Frisch, Birgit Wibbeling, Cristian A. Strassert and Bart Jan Ravoo: A soft supramolecular carrier with enhanced singlet oxygen photosensitizing properties. Soft Matter 2013, 9, 2453-2457, DOI: 10.1039/C2SM27353E

* Dr. C. A. Strassert: Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Physikalisches Institut, Center for Nanotechnology (CeNTech), 48149 Münster

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