Schwimmen im Nanofluss Zielsicher therapieren: Biohybride Mikroschwimmer als aktive Wirkstofftransporter

Um bei möglichst wenig Nebenwirkungen möglichst gut zu wirken, ist es essenziell, dass Medikamente exakt an den Ort des Geschehens, z.B. den Tumor, gelangen. Ein Forscherteam hat dazu nun frei bewegliche Biohybrid-Mikroschwimmer entwickelt. Was das Besondere an ihnen ist, erklärt Oncay Yasa im LP-Exklusivinterview.

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LP: Zugegeben, es klingt schon ein wenig nach Science Fiction: Kleine Schwimmer, die sich durch die Blutbahn unseres Körpers bewegen. Doch das Potenzial dieser so genannten Mikroschwimmer ist riesig, nicht wahr Herr Yasa?

Oncay Yasa: Ja, die so genannten Mikroschwimmer haben ein sehr großes Potenzial in der klinischen Anwendung, um zielgerichtet und aktiv Substanzen an einen Zielort z.B. einen Tumor zu bringen. Vereinfacht gesagt, bestehen Mikroschwimmer aus zwei Komponenten: einem lebenden Organismus wie einem Einzeller oder Bakterium und einem künstlich hergestellten Konstrukt. Kleinstlebewesen wie Mikroben haben Fortbewegungs- und Sinnesorgane, um ihre Umgebung wahrzunehmen. Diese über Millionen von Jahren evolutiv hervorgebrachten und bewährten Eigenschaften machen wir uns zunutze. So müssen wir sie im Mikro- oder gar Nanobereich nicht nachbauen. Den künstlich hergestellten Teil des Mikroschwimmers hingegen konstruieren wir passgenau so, dass dieser für die jeweilige Anwendung, sprich Krankheit, geeignete Transportbehälter und Steuermechanismen hat. In unserer aktuellen Studie stellen wir einen Biohybrid-Mikroschwimmer auf Basis von beweglichen Bakterien und roten Blutkörperchen vor. Die Bakterien mit ihren Flagellen sind der Antrieb, die roten Blutkörperchen hingegen sind die Transportbox. Wir haben sie mit Medikamenten und mit magnetischen Nanopartikeln beladen, damit wir den Mikroschwimmer von außen steuern können.

LP: Für welche Zwecke werden Mikroschwimmer eingesetzt, und was passiert mit ihnen, wenn sie ihren Dienst erfüllt haben?

Yasa: Die in dieser Studie hergestellten Biohybrid-Mikroschwimmer können Krebsmedikamente, beispielsweise Doxorubicin, zielgerichtet an den Ort der Erkrankung bringen. Wir steuern ihren Weg über Magnetfelder, wie sie in klinischen Magnetresonanztomografen vorkommen. Das birgt den Vorteil, dass ein Medikament zielgerichtet dorthin gelangt, wo es gebraucht wird. Damit wird die Belastung des Patienten mit dem Chemotherapeutikum reduziert, was für den Patienten viel schonender ist. Nach getaner Arbeit können wir dann die Mikroschwimmer mittels Infrarotlicht neutralisieren.

Unser Mikroschwimmer hat außerdem den Vorteil, dass er sehr flexibel ist. Er kann sich an die verschiedensten Umgebungen anpassen, da rote Blutkörperchen leicht verformbar sind. So kann sich der Mikroschwimmer selbst durch
schmale Lücken bewegen, die kleiner sind als der Mikroschwimmer selbst. So kann unser Mikroschwimmer Medikamente auch an schwer zugängliche Orte bringen und freisetzen.

LP: Was zeichnet Ihre Erfindung gegenüber anderen bakterienangetriebenen Mikroschwimmern noch aus?

Yasa: Die von uns vorgestellten Biohybrid-Mikroschwimmer haben einige Vorteile gegenüber anderen Mikroschwimmern. Wir verwenden biotechnologisch modifizierte Bakterien und rote Blutkörperchen, und das ermöglicht es uns, unseren Mikroschwimmer in einer nicht-invasiven Weise herzustellen. Gegenüber synthetischen Pedanten haben wir außerdem den Vorteil, dass die roten Blutkörperchen – unsere Transportbehälter – biokompatibel sind, stabil, verformbar und ganz einfach abgebaut werden können. Weiterhin konnten wir zum ersten Mal zeigen, dass der bakteriengetriebene Antrieb genug Schub erzeugt, um den beladenen Biohybrid-Mikroschwimmer aktiv durch
schmale Gänge und Lücken zu manövrieren. Schlussendlich bietet die auf Knopfdruck mögliche Neutralisierung der Bakterien und damit des kompletten Mikroschwimmers enorme Vorteile, was wichtig für eine spätere klinische Anwendung ist.

Herr Yasa, vielen Dank für das ­Gespräch.

Originalpublikation: Yunus Alapan, Oncay Yasa, Oliver Schauer, Joshua Giltinan, Ahmet F. Tabak, Victor Sourjik and Metin Sitti: Soft erythrocyte-based bacterial microswimmers for cargo delivery, Science Robotics 25 Apr 2018: Vol. 3, Issue 17, eaar4423, DOI: 10.1126/scirobotics.aar4423

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