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Die revolutionäre Welt der Nanotechnologie

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von Alice Ott

Schmutzabweisende Oberflächen, changierende Lacke, durchsichtige Sonnencremes – das alles sind Dinge, die man heutzutage durchaus mit Nanotechnologie in Verbindung bringt. Aber wer hätte gedacht, dass Nanotechnologie mittlerweile auch im Kampf gegen Krebs erfolgreich eingesetzt werden kann?

Nichts half mehr, der Gehirntumor war wieder da. Doch eine Hoffnung blieb ihm noch: eine Therapie mit Nanopartikeln. Zukunftsmusik? Nein, die Firma „Magforce“ aus Berlin hat eine Substanz mit Nanopartikeln zur Krebsbehandlung entwickelt – die derzeit innovativste Anwendung der Nanotechnologie. Das Unternehmen hat die Anwendung in Studien bei Tieren und Menschen über viele Jahre hinweg getestet. Seit letztem Jahr (2010) ist die Therapie für die Behandlung von Gehirntumoren zugelassen.

Glioblastome (aggressive Gehirntumore) werden bei konventionellen Therapien operativ entfernt und die Patienten erhalten zusätzlich eine Strahlen- oder Chemotherapie oder beides. Dabei setzt man auf den Effekt, dass die sich schnell teilenden Krebszellen von der Strahlung beziehungsweise von den Chemotherapeutika stärker beeinträchtigt werden als alle übrigen Zellen. Dennoch wird auch gesundes Gewebe geschädigt, was der Patient durch zahlreiche Nebenwirkungen zu spüren bekommt.

Anders bei der Therapie aus Berlin: Hier wird ein sogenanntes Ferrofluid, bestehend aus in Wasser gelösten, etwa 15 Nanometer kleinen magnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln, direkt in den Gehirntumor injiziert. Schließlich werden die Nanopartikel durch ein Magnetfeld, das bis zu 100.000-mal pro Sekunde seine Polarität wechselt, in starke Schwingungen versetzt, wodurch Wärme entsteht. Der Tumor wird durch die Hitzeeinwirkung geschädigt. Umliegendes gesundes Gewebe wird geschont, da die Partikel aufgrund einer speziellen Hüllstruktur am Ort der Applikation verbleiben.

Je nach Verteilung der Nanopartikel innerhalb des Tumors werden verschieden hohe Temperaturen erreicht. Bei Temperaturen über 46 Grad Celsius werden die Krebszellen zerstört, zwischen 41 und 45 Grad werden sie zumindest empfindlicher für eine Strahlentherapie. „Glioblastome sind leider derart aggressiv, dass man lediglich von lebensverlängernden Maßnahmen sprechen kann“, sagt Stacy Wiedenmann, Presseprecherin von Magforce. „Die Therapie dauert drei Wochen, bestehend aus insgesamt sechs Behandlungen, zwei Mal pro Woche.“ Eine klinische Studie zeigte, dass die mittlere Überlebensrate nach einem Tumorrückfall bei 13,4 Monaten lag, mehr als doppelt so hoch wie bei konventionellen Therapien. „Es gibt durchaus auch Patienten, die mehrere Jahre überlebt haben“, sagt Wiedenmann.

Injektion

Durch eine einmalige Injektion direkt in den Gehirntumor wird ein Depot an eisenhaltigen Nanopartikeln angelegt, das durch ein magnetisches Feld erhitzt werden kann und so dem Tumorgewebe schadet.
Foto aus MagForce Nanotechnologies AG

Nanopartikel gegen Krebs

Nach 20 Jahren der klinischen Forschung ist die Therapie mit Nanopartikeln seit Juni 2010 zur Behandlung von

Gehirntumoren in der ganzen EU zugelassen. Wirksamkeitsstudien zur Behandlung von Prostatakrebs sowie Machbarkeitsstudien zur Behandlung von Speiseröhrenkrebs und Gebärmutterhalskrebs wurden bereits abgeschlossen, Machbarkeitsstudien zur Behandlung von Bauchspeicheldrüsenkrebs werden derzeit durchgeführt. Stacy Wiedenmann erhält viele Anrufe von Patienten, die nach neuen Therapien suchen. „Patienten kennen die Grenzen der gängigen Behandlungsmethoden und stehen daher neuen Therapieansätzen sehr offen gegenüber.“

Eine ferne Zukunftsvision sind Nanopartikel, die nur noch in den Blutkreislauf injiziert werden müssen und, zum Beispiel bei Leukämiepatienten, Krebszellen aktiv finden und diese zerstören. „Im Labor konnte bereits eine Verbindung von Nanopartikeln mit Chemotherapeutika entwickelt werden, die bei Hitze wieder gelöst wird“, erzählt Stacy Wiedenmann. „Dadurch werden die Chemotherapeutika erst im Tumor freigesetzt und wirken dadurch stärker.” Eine solche Verbindung ist ein weiteres vielversprechendes Zukunftsprojekt der Firma Magforce im Kampf gegen Tumore.

Sonnenschutzcreme & Co.

Auch Martin Monzel, Geschäftsführer des Vereins „NanoBioNet“ in Saarbrücken findet, dass die Krebstherapie der Firma Magforce die derzeit neuartigste Anwendung der Nanotechnologie ist. „Derzeit arbeiten Hunderte Arbeitsgruppe daran, eine Substanz zu finden, die zwischen Krebszelle und gesunder Zelle unterscheiden kann”, erzählt Monzel. Dadurch hätte man auch eine Möglichkeit, gegen Leukämie vorzugehen.

NanoBioNet ist ein Netzwerk aus Hochschulen, Forschungsinstituten, Kliniken und Unternehmen und versucht eine Schnittstelle zwischen Forschung, Wirtschaft, Politik und Gesellschaft darzustellen. „Im alltäglichen Leben sind wir bereits von Nanotechnologie umgeben“, weiß Martin Monzel. „Aktuell gibt es mindestens 800 Nano-Produkte und Anwendungen, und die Zahl soll weiter steigen.” Spätestens wenn es in den Urlaub geht, füllen sich die Einkaufskörbe mit Nanotechnologieprodukten – Sonnenschutzcreme. Martin Monzel meint: „Wenn man nicht mit Deckweiß-ähnlichen Cremes eingerieben am Strand liegen möchte, benötigt man Nanotechnologie.” Kleinste Titandioxid- oder Aluminiumdioxidpartikel sorgen ab einem Schutzfaktor von 15 für den nötigen UV-Schutz, kombiniert mit der erwünschten Transparenz. Als Nanopartikel haben sie eine Größe, die weniger als die Hälfte der Wellenlänge von sichtbarem Licht ausmacht, wodurch sie nicht mehr zu sehen sind.

Martin Monzel hat die Erfahrung gemacht, dass Kosmetika, die direkt auf die Haut aufgetragen werden, und Nahrungsmittel jene Bereiche sind, in denen Verbraucher meist unsicher werden, wenn Nanotechnologie im Spiel ist. „Die Kosmetikindustrie kommt dem Verbraucher hier entgegen und führt ab 2012 eine Kennzeichnungspflicht für Nanotechnologie ein. Jeder kann so die Risiken für sich persönlich einschätzen.“ Dabei sind die Anforderungen an die kleinen Teilchen unterschiedlich: Nanopartikel in der Sonnencreme sollen nach dem Auftragen auf die Haut dort bleiben und nicht durch die Haut in den Körper eindringen. Andererseits können und sollen nanopartikuläre Wirkstoffe einer schmerzstillenden Salbe möglichst schnell nach dem Auftragen durch die Haut eindringen, um an ihren Bestimmungsort zu gelangen.

Nano inside – Nano outside

Auch die Lebensmittelindustrie wird bei der Kennzeichnung von Produkten mit Nanotechnologie nachziehen. „Unterscheiden muss man hier vor allem, ob es sich um ‚Nano-inside‘ oder ‚Nano-outside‘-Produkte handelt“, meint Martin Monzel. „Wird ein Pizzateig in einer Rührmaschine hergestellt, die durch eine Nanobeschichtung leichter zu reinigen ist, enthält der Teig selber keine Nanopartikel, ist aber dennoch mit einem Nanoprodukt in Kontakt gekommen – Nano outside. Dies ist eindeutig weniger bedenklich als Nanopartikel, die der Nahrung beigefügt werden – Nano inside – und somit mit der Nahrung in den Körper aufgenommen werden.“

Monzel erzählt, dass beispielsweise Schokolade mit Titandioxid-Nanopartikeln beschichtet werden kann, um sie schöner und frischer aussehen zu lassen. Auch Nahrungsergänzungsmittel können Titandioxid enthalten, beispielsweise zum Einfärben oder als Trennmittel. Er sieht dies kritisch: „Hier ist abzuwägen, ob es wirklich notwendig ist, Nanotechnologie anzuwenden und damit verbundene mögliche Risiken einzugehen, nur um ein verbessertes Aussehen zu erreichen. Eine sinnvollere Anwendung, die auch den tatsächlichen Nutzen verbessert, liegt dagegen beim Medikamententransport innerhalb des Körpers (Drug Delivery), wo es darum geht den Wirkstoff schnell und schonend zu einem bestimmten Organ zu transportieren, wo er wirken soll.“

Ferrofluid

Ferrofluide sind flüssig und haben magnetischen Eigenschaften.
Foto von NanoBioNet e.V.

„Saarland Valley“

Materialforschung mithilfe der Nanotechnologie ist eine Domäne des Saarlands, das in diesem Bereich mittlerweile das deutsche Pendant zu Silicon Valley darstellt. Das Netzwerk NanoBioNet ist hier seit 2002 Schnittstelle für alle Nanotechnologiefirmen. Regelmäßige Veranstaltungen und eine Dauerausstellung in Saarbrücken sollen den Verbraucher über Nanotechnologie aufklären. Martin Monzel findet, dass Kritiker der Nanotechnologie in den Medien oft unverhältnismäßig argumentieren. Seiner Ansicht nach können gewisse Aspekte der Nanotechnologie zwar Gefahren bergen, sie lägen aber eher im Herstellungsprozess und nicht im Endprodukt, mit dem der Verbraucher in Kontakt kommt. „Der Arbeitsschutz im Herstellungsprozess ist der wichtigste Punkt. Der Forschungsbereich Arbeitsmedizin der Universität Homburg konnte feststellen, dass herkömmliche, vom Gesetzgeber vorgeschriebene Arbeitsschutzvorrichtungen, zum Beispiel Abzugsanlagen für das Abfüllen von Lacken, auch im Umgang mit Nanopartikeln ausreichenden Schutz für Arbeitnehmer gewährleisten.“

Laut einer 2009 herausgegebenen Broschüre des Bundesministeriums für Bildung und Forschung soll verstärkt Förderung für die Erforschung von Risiken der Nanotechnologie betrieben werden, um Wissenslücken abzubauen und die Risikobewertung zu verbessern. Außerdem wird „ein eigenverantwortliches, vorsorgendes Risikomanagement der Industrie“ gefordert, sowie ein vorläufiger Verzicht auf neuartige Anwendungen von Nanotechnologie, „bis gesicherte Erkenntnisse über den bedenkenlosen Einsatz vorliegen“.

„Ängste vor gesundheitsschädlichen Folgen durch Nano-Lack auf dem Auto oder durch eine Beschichtung des Badezimmers mit einer schmutzabweisenden Oberfläche sind unnötig“, meint Martin Monzel. In der Regel werden keine Nanopartikel durch die Nutzung solcher Produkte frei, während in unserer Atmosphäre Millionen von Nanopartikeln, verursacht durch Kohlekraftwerke und Dieselkraftfahrzeuge, unkontrolliert herumschwirren. „Dementsprechend unverhältnismäßig ist die Angst vor dem Austreten von Nanopartikeln aus einem Nanoprodukt. Einmal einem Material beigemengt, gehen Nanopartikel eine feste Verbindung ein, wodurch Verbraucher nicht in direkten Kontakt mit ihnen kommen.“

Martin Monzel sieht die Zukunft auch in der Herstellung von ganzheitlich aus Nanotechnologie bestehenden Produkten. “Die Reise geht da hin, dass durch Nanotechnologie komplett neue Werkstoffe aufgebaut werden können”. Ein bestimmtes Produkt könnte etwa komplett aus einem abriebfesten Stoff hergestellt werden, statt es lediglich damit zu beschichten. Die Nanotechnologie hat noch ein großes Potential an möglichen neuen Nutzungsmöglichkeiten, auf die wir auch zukünftig noch gespannt sein dürfen.

Nanotechnologie – was Sie schon immer darüber wissen wollten

– Was genau ist eigentlich „Nano“?

Alles, was auf der Nanoskala, also unter einer Größe von 100 Nanometern, abläuft, wird auch mit dem hippen Wort „Nano“ gekennzeichnet. Ein Nanometer (Nanos, altgriechisch für „Zwerg“) ist ein Milliardstel Meter.

– Was ist das Besondere an der Nanotechnologie?

Im Nanokosmos verhalten sich Stoffe vollkommen anders als in unserer grobskaligen Welt. Ein gutes Beispiel, dass sich mit der Größe auch die Eigenschaften ändern, ist Wasser. In einer Schüssel hat Wasser immer eine gerade Oberfläche, da die Schwerkraft den vorrangigen Einfluss ausübt. Ein kleiner Wassertropfen hingegen neigt dazu, kugelförmig zu sein, weil die Oberflächenspannung die Schwerkraft übersteigt und diese Form das maximale Volumen mit kleinster Oberfläche erlaubt. Nanopartikel zeigen außerdem einen hohen Grad an Selbstorganisation, wodurch sich Moleküle selbst zu regelmäßigen Strukturen anordnen. Die Veränderung der physikalischen Eigenschaften im Nanokosmos macht die Nanotechnologie einerseits innovativ, andererseits auch unberechenbar.

– Seit wann gibt es Nanotechnologie?

Forscher versuchen dem Vorbild der Natur zu folgen, die schon längst nanoskalige „Maschinen“ entwickelt hat: Ribosomen lesen in unseren Zellen die Erbinformation und bauen nach dieser Vorlage aus einzelnen Aminosäuren verschiedenste Eiweiße zusammen. Richard Feynmans Vortrag von 1959 „There’s plenty of room at the bottom“ gilt als die Geburtstunde der Nanotechnologie. Der amerikanische Physiker und Nobelpreisträger hatte die Vision, einzelne Atome gezielt zusammenzusetzen, was schließlich mit der Entwicklung des Rastertunnelmikroskops 1981 durch Heinrich Rohrer und Gerd Binning ermöglicht wurde. Beide erhielten den Nobelpreis dafür. Mit Hilfe des Rastertunnelmikroskops ist es möglich, einzelne Atome gezielt zu manipulieren, um aus Stoffen wie Silizium oder Kohlenstoff komplexe Strukturen zu bauen („Bottom-up“).

– Was sind Fullerene?

Die Entdeckung der Fullerene stellte alles bisher Bekannte über das am häufigsten vorkommende Element im Universum auf den Kopf – den Kohlenstoff. Kohlenstoff nimmt in der Regel immer flache Strukturen ein, wie zum Beispiel bei Graphit, das in einem flächigen sechseckigem Wabenmuster angeordnet ist. 1985 entdeckte Richard E. Smalley zusammen mit anderen Wissenschaftlern, dass 60 Kohlenstoffatome auch eine kugelige Form annehmen können. Diese Kohlenstoffkugeln werden Fullerene oder auch „Buckyballs“ genannt, nach dem visionären Architekten Buckminster Fuller. Dieser baute für die Weltausstellung in Montreal 1967 eine kuppelförmige Stahlkonstruktion aus lauter Fünf- und Sechsecken. Fullerene setzen sich aus 12 Fünfecken und 20 Sechsecken zusammen und haben einen Durchmesser von 0,7 Nanometer.

– Was sind Nanotubes?
Wird die wabenförmige flache Struktur von Graphit eingerollt und jeweils am oberen und unteren Ende mit einem aufgebrochenen Fulleren kombiniert, erhält man eine kleine Röhre – eine sogenannte „Nanotube“. Nanotubes sind extrem vielseitig. Eines von vielen weiteren Anwendungsgebieten liegt in der Erschaffung von Materialien mit neuen Eigenschaften. Zu Kunststoffen hinzu gemischt können sie zum Beispiel die Zugfestigkeit enorm verbessern. Ihre elektrische Leitfähigkeit in Kombination mit der besten natürlich vorkommende Wärmeleitfähigkeit macht sie für die Halbleiterelektronik interessant: Winzige Transistoren – Schalter, die die Grundbausteine eines Computerchips bilden – kann man damit herstellen. Diese weitere Verkleinerung der Mikrotechnik ermöglicht es, in der Computerwelt immer mehr Transistoren auf möglichst kleinen Raum zu packen, um mehr Rechenleistung zu erzielen („Top-down“).

Website

nano.DE-Report 2009 – Status Quo der Nanotechnologie in Deutschland” vom Bundesministerium für Bildung und Forschung:

Die Broschüre “Sicherheit der Nanotechnologie”, herausgegeben von NanoBioNet e. V., ist als pdf zum Herunterladen erhältlich.

Filme und Informationen über die innovative Krebstherapie mit Nanopartikeln sind auf der Homepage der Firma MagForce zu finden

Buchtipps

Alles Nano? – Die Technik des 21. Jahrhunderts. Niels Boeing. Rowohlt Taschenbuchverlag: Reinbek bei Hamburg, 2. Auflage 2009.

Nanotechnologie – Grundlagen, Anwendungen, Risiken, Regulierung. Arno Scherzberg & Joachim H. Wendorff. De Gruyter Rechtswissenschaften Verlags GmbH: Berlin, 1. Auflage 2008.