Teil 2 - Anwendungen Begleitinformation - Swiss Nano Cube

Nanomedizin-Modul/Anwendungen/Begleitinfo
Nanomedizin: Anwendungen
Folie 1: Nanoroboter
Nanoroboter
Schon bald werden in unserem Körper Nanoroboter kreisen und Krankheitserreger
aufspüren, simultan all unsere Körperfunktionen messen und Unregelmässigkeiten direkt
ans Telemedizinzentrum melden, Krebszellen bereits im Entstehungsstadium zerstören und
verengte Blutkapillaren erweitern.
Die hier beschriebene Vision wird wohl nicht so schnell Realität werden.
Nanotechnologische Innovationen verändern aber auch die Medizin und insbesondere die
medizinische Diagnostik.
Folie 2: Anwendungen der Nanotechnologie in der Medizin
Die Grafik gibt einen Überblick über den Entwicklungsstand einzelner medizinischer
Anwendungen in der Nanotechnologie.
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Filmbeiträge:
1) SF, Puls, 15. Oktober 2007, Nanoroboter im Dienste der Medizin:
"Im Auge gibt es bereits erste Versuche: Miniroboter, die Medikamente präzise an
die richtige Stelle bringen können. Und auch in anderen Organen lassen sogenannte
Nano-Partikel eine gezielte Freisetzung von Wirkstoffen zu. Noch stecken die
Technologien in den Kinderschuhen, aber in den Labors - und mittlerweile auch
ganz praktisch in den Kliniken - wird fieberhaft geforscht."
2) Der Filmbeitreg aus der EMPA-Reihe "NanoWelten" gibt einen guten Einblick in das
Thema Nanomedizin.
http://www.youtube.com/watch?v=QZYK0iCE4zE&feature=player_embedded
Folie 3: Biokompatible Implantate
Konventionelle orthopädische Implantate weisen häufig das Problem einer begrenzten
Haltbarkeit auf. Vielfach wird eine Erneuerung nach 10–15 Jahren notwendig. Während bei
älteren Patienten ab dem 65. Lebensjahr die Lockerungsraten mit zunehmender Zeit nur
langsam ansteigen, liegt die Notwendigkeit, die Implantate schon innerhalb der ersten 10
Jahre zu ersetzen, bei jüngeren Patienten bei bis zu 30%. Nano-strukturierte
Oberflächenbeschichtungen können z. B. aus Diamant-Kohlenstoff Verbindungen, Hydroxyapatit
oder nanoporösen Schichten bestehen. Verschiedene wissenschaftliche Studien zu
den Nano-Beschichtungen weisen eine hohe Haftung an den Titanlegierungen des
Implantats nach, zeigen verbesserte Härte und Stabilitätseigenschaften und belegen eine
gute Haftung an Geweben und Knochen, ohne dass sich Zwischengewebe bildet.
Schätzungen gehen davon aus, dass jährlich in Deutschland zwischen 120‘000 (Apotheken
Umschau 2003) und 200‘000 Patienten (Universität Heidelberg 2005) künstliche Hüftgelenke
implantiert bekommen. Für die USA wurden für Hüft- und Knieimplantate für 1994 insgesamt
450‘000 Operationen gemeldet. Die Autoren rechneten 2002 noch mit jährlichen Zuwachsraten
von 10 % für die Vereinigten Staaten. Schmerzen und Entzündungen durch
langjährigen Verschleiss schränkten vorher die Bewegungsfähigkeit der Patienten stark ein.
Die Implantate sollen ein schmerzfreies Leben und z. T. sogar leichte Ausdauersportarten
ermöglichen, die insbesondere bei älteren Patienten wichtig sind, um Herz-Kreislauf-
Erkrankungen vorzubeugen. Problematisch ist allerdings die eingeschränkte Lebensdauer
der Implantate durch Abriebe, Lockerungen und Entzündungsprozesse bei Belastung. Die
Universität Heidelberg hat hierzu einen Hüftsimulator entwickelt, der den Dauereinsatz prüft,
Abriebe analysiert sowie deren Effekte erforscht. Die oben beschriebenen nanostrukturierten
Beschichtungen auf Implantaten setzen genau bei den Problemstellungen der
vorzeitigen Lockerung und bei den Abrieben an und versprechen eine Verbesserung der
Haltbarkeit auf bis zu 40 Jahre. Für die betroffenen Patienten würde dies eine starke
Entlastung bedeuten, denn im Vergleich zu der ein- bis zweistündigen Operation beim
Erstimplantat dauert der Eingriff bei der Reversion eher 4–5 Stunden.
Weitere Knochensubstanz muss genutzt werden, um die Implantate zu verankern. Da
insgesamt eine Tendenz besteht, Implantate bei immer jüngeren Patienten einzusetzen und
die Zahl der Ersatzimplantate stetig zunimmt, würde es einen grossen Nutzen für die
Betroffenen und eine Entlastung des Gesundheitssystem bedeuten, wenn die Haltbarkeit
verdoppelt werden könnte. Kritisch ist hierzu anzumerken, dass einige Beschichtungstechnologien
zunächst einmal eine massive Kostensteigerung bedeuten würden wie z. B.
beim Einsatz von nanostrukturierten Diamant-Beschichtungen. Die Breite der derzeit in der
Forschung erprobten Nanomaterialien lässt aber hoffen, dass auch kostengünstigere
Alternativen ähnlich gute Ergebnisse zeigen.
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Quelle: Grobe et al. (2008) Nanomedizin – Chancen und Risiken S. 24 ff.
Links zu biokompatibilen Implantaten:
http://de.wikipedia.org/wiki/Biokompatibilit%C3%A4t
http://www.wissenschaft.de/wissenschaft/news/276873.html
Folie 4: Nanokrebstherapie
Ein wichtiges Einsatzgebiet von Nanomaterialien sind Hyperthermieverfahren, die derzeit
erfolgreich in der Krebsbekämpfung erprobt werden. Hyperthermie- und
Thermoablationsverfahren basieren auf dem Prinzip, dass lebendes Gewebe, welches
erhitzt wird, seine normalen zellulären Aktivitäten verändert. Ab Temperaturen von 42° C
wird dabei ein zellschädigender (zytotoxischer) Effekt beobachtet, der mit höheren
Temperaturen schnell ansteigt. Da Tumorgewebe empfindlicher auf erhöhte Temperaturen
reagiert als gesundes Gewebe, setzt die Krebsforschung hier an. Problematisch ist, dass
auch gesundes Gewebe durch eine Erwärmung in Mitleidenschaft gezogen werden kann,
wenn sich die Behandlung nicht auf das Tumorgewebe begrenzen lässt. Durch den Einsatz
von Nanomaterialien kann die Erhitzung des Gewebes lokal begrenzt werden. Dazu werden
wenige Nanometer grosse Metalloxide in das Tumorgewebe eingebracht. International
arbeiten verschiedene Forschergruppen derzeit mit Eisenoxid, Kupfer, Magnetit und
Goldpartikeln, die mit einer Nanoschutzhülle (Coating) umgeben werden. Das Coating wird
so aufgebaut, dass sich die Metalloxide entweder an die Zellwände des Tumors anlagern
oder dass sie von den Tumorzellen als vermeintliche „Nahrung“ aufgenommen werden.
Auch hier sorgt die Nanotechnologie für eine Art Maskierung der eigentlich zu
transportierenden, magnetischen Substanz. Durch das Anlegen elektromagnetischer
Wechselfelder erzeugen die Metallpartikel Wärme, die die Tumorzellen angreift oder
zerstört. Beim Hyperthermieverfahren werden die Tumorzellen auf 44°–46°C erhitzt, was die
Zellen schwächt, am weiteren Wachstum hindert und sie sensibler für Chemotherapien
oder Bestrahlungen machen. Das Hyperthermieverfahren wurde in Berlin am Bundeswehrkrankenhaus
und der Charité mit Eisenoxidpartikeln bei schwer- oder inoperablen
Hirntumoren erfolgreich angewendet. Die Forscher arbeiten mit einer minimalinvasiven
Methode und injizieren die in einem Fluid enthaltenen Eisenoxidpartikel direkt in den Tumor.
Jetzige Forschungen richten sich auf Prostatakrebs, Speiseröhrenkrebs, Brustkrebs,
Bauchspeicheldrüsen- und verschiedene Unterleibskrebsarten. Die Studien zu
Gehirntumoren und zu den Prostatakarzinomen sind bereits in der zweiten Phase der
klinischen Tests. Sie belegen durchweg eine gute Verträglichkeit sowohl der Verfahren als
auch der verwendeten Nano-Eisenoxidpartikel. Eine Produktzulassung wurde für Anfang
2010 erwartet.
Forschungen zu Eisenoxidpartikeln an der Universität von Kalifornien arbeiten ebenfalls mit
einer speziellen Umhüllung (Micelltechnologie), welche die gezielte Anbindung von
Antikörpern an die Umhüllung der Nanopartikel ermöglicht. Das Ziel ist dabei, dass durch die
Nanorezeptoren an der Oberfläche die Krebszellen selbstständig gefunden werden
(Targeted Drug Delivery) und die Wirkstoffe intravenös verabreicht werden können.
Quelle: Grobe et al. (2008) Nanomedizin – Chancen und Risiken S. 10 ff.
Links zu Nanokrebstherapien:
Animierte Erklärung der Nanokrebstherapie der Firma MagForce:
http://www.magforce.de/german/produkte/nanotherm.html
http://www.wdr.de/tv/quarks/sendungsbeitraege/2002/0806/007_nano.jsp
PEGASYS: http://www.pegasys.com/ (Englisch)
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Folie 5: Nanoskalige Kontrastmittel
Der Einsatz von Nanomaterialien bei den bildgebenden Verfahren verschafft Physikern und
Medizinern faszinierende Einblicke in das Innenleben der Zellen. Das Göttinger Max-Planck-
Institut für biophysikalische Chemie entwickelte 10-Nanometer kleine Quantenpunkte (Dots),
die 1000-fach heller leuchten als herkömmliche Kontrastmittel und von Nano-
Transportsystemen gezielt in Zellen eingeschleust werden können. Die Quantenpunkte
werden mit einem Antikörper oder einem anderen zielfindenden Molekül verknüpft. In die
Blutbahn injiziert, reagieren diese mit Zielstrukturen auf der Oberfläche von kranken Zellen
nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip und reichern das Kontrastmittel (die Quantenpunkte) im
kranken Gewebe an. Die Forscher versprechen sich einen Durchbruch in der
Krebsdiagnostik, indem Zellaktivitäten in Echtzeit sichtbar gemacht werden können. Andere
Verfahren setzen auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Fullerene, die mit sehr viel weniger
Kontrastmittel auskommen, um die herkömmliche Bildqualität zu erreichen. Panos Fatouros
et al. von der Universität Virginia beschreiben eine 40-fache Effizienzsteigerung des
Kontrastmittels für Kernspintomographen. Die eingebetteten Quantenpunkte lagern sich
zielgerichtet an die erkrankten Zellen an und erzeugen ein hochauflösendes,
dreidimensionales Bild, das eine präzisere Diagnose erlaubt. Die Grundlagenforschung zu
den bildgebenden Verfahren (Nano Imaging) leistet einen wichtigen Beitrag zum
grundsätzlichen Verständnis von Prozessen in Zellen und ihren verschiedenen Interaktionen.
Krankheitsbilder sollen so besser verstanden und neue Zugänge zu Behandlungen gefunden
werden.
Molekulare Kontrastmittel auf Basis von Nanotechnologie befinden sich noch nicht auf dem
Markt. Jedoch gibt es bereits Kontrastmittel, die aus Eisenoxid-Nanopartikeln bestehen, die
einen besonders starken Kontrast erzeugen, und sich selektiv in der Leber anreichern. Ein
solches Kontrastmittel wurde von Schering entwickelt und ist unter dem Namen Resovist®
auf dem Markt eingeführt worden.
Quelle: Grobe et al. (2008) Nanomedizin – Chancen und Risiken S. 40 ff.
Link zu Kontrastmitteln:
http://de.wikipedia.org/wiki/Kontrastmittel
Link zu Quantenpunkten:
http://de.wikipedia.org/wiki/Quantenpunkt
http://www.azonano.com/news.aspx?newsID=18379&lang=de
Nanoskaliges Eisen-Nanopartikel als Kontrastmittel (Resovist):
http://www.newscenter.philips.com/pwc_nc/main/shared/assets/ch/Downloadablefile/Hintergr
undinformation_MPI_Technology.pdf
Folie 6: Wirkstofftransport – Liposomen
Der Wunsch, einen Wirkstoff gezielt zum kranken Gewebe zu transportieren, ist so alt, wie
die Herstellung moderner Medikamente und rührt daher, dass viele Wirkstoffe starke
Nebenwirkungen haben. Solche Nebenwirkungen werden häufig durch eine unspezifische
Verteilung der Wirkstoffe im Körper verursacht. Ziel der Pharmaforschung ist es daher,
Transportsysteme zu entwickeln, die es ermöglichen, einen Wirkstoff gezielt zum kranken
Gewebe zu transportieren. In den 60er Jahren war mit den Liposomen, ein System
gefunden, das hier eine erfolgversprechende Lösung bot. Liposomen sind mikroskopisch
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kleine Bläschen aus einer Doppelschicht Phospholipiden, die intravenös verabreicht werden.
Da Blutgefässe in Tumoren eine grössere Durchlässigkeit für die nanoskaligen Liposomen
haben als gesundes Gewebe, reichern sich liposomal formulierte Wirkstoffe in Tumoren an.
Jedoch bedurfte es zwei Jahrzehnte an Forschungsarbeit, bis die ersten Produkte auf den
Markt kamen. Anfängliche Schwierigkeiten bestanden darin, dass Liposomen vom
Immunsystem erkannt und aus der Blutbahn entfernt werden. Erst nachdem es gelungen
war, spezielle Moleküle an die Liposomen zu heften und sie so für das Immunsystem
unsichtbar zu machen, waren die Voraussetzungen für ihren medizinischen Einsatz
geschaffen. Derzeit sind verschiedene liposomale Medikamente für die Behandlung von
Krebs, Pilzinfektionen und Augenerkrankungen auf dem Markt.
Neben den Liposomen gibt es eine Vielzahl weiterer nanoskaliger Transportsysteme, wie
Micellen, Polymer-Nanopartikel, Polymer-Wirkstoff-Konjugate oder anorganische
Nanopartikel, die im Prinzip dasselbe Ziel verfolgen: Wirkstoffe gezielt im kranken Gewebe
anzureichern. Transportsysteme sind auch von grosser Bedeutung für Proteintherapeutika,
deren Wirksamkeit oftmals eingeschränkt ist, da sie eine geringere Verweildauer im Blut
aufweisen, chemisch labil sind und Immunreaktionen auslösen können. Mit nanoskaligen
Transportsystemen wird daher versucht, die Applikationseigenschaften von Proteintherapeutika
zu verbessern. So kann durch Anheften von Polymerketten an Proteine nicht
nur ihre Halbwertszeit im Blut erhöht werden, sondern auch insgesamt ihre Wirksamkeit.
Zwei Polymer-Protein-Konjugate mit Umsätzen jenseits der Milliardengrenze sind PEGASYS
(pegyliertes Interferon alpha-2a) zur Behandlung von Hepatitis C und Neulasta (pegyliertes
hGCSF) zur Behandlung von Neutropenie, einer Blutkrankheit, die zu Immunschwäche führt.
Von Seiten der Pharmaindustrie ist das Interesse bislang zurückhaltend gewesen, da viele
Pharmaunternehmen den Zeitpunkt noch als zu früh erachten, um mit grossem finanziellen
Einsatz in diese neue Technologie einzusteigen. Jedoch ist das Interesse der Industrie in
den letzten Jahren langsam gestiegen, was sich vor allem an der zunehmenden Anzahl an
Produkten ablesen lässt, die ein fortgeschrittenes Entwicklungsstadium erreicht haben:
Derzeit befinden sich immerhin mehr als 100 nanoskalige Wirkstofftransportsysteme in der
klinischen Phase der Entwicklung.
Quelle: www.hessen-nanotech.de „Nanomedizin“; Schriftenreihe Band 2
Links zu Liposomen:
http://de.wikipedia.org/wiki/Liposom
http://de.wikipedia.org/wiki/PEGylierung
http://oncology-world.com
Folie 7: Nanofiltration
Im Körper übernehmen die Nieren eine Funktion, die sich ebenfalls als Filtration bezeichnen
lässt. Sie erledigen die Blutwäsche. Dabei werden belastende Stoffe aus dem Blut entfernt
und durch den Urin aus dem Körper abgesondert. Bei einigen Nierenerkrankungen sind
Patienten auf die Blutwäsche durch Dialysemaschinen angewiesen. Diese Verfahren sind
mit sehr starken Einschränkungen für das Leben der Patienten verbunden und das
Infektionsrisiko ist hoch. Bislang war es zum Beispiel nicht möglich, Viren bei der Blutwäsche
zu separieren und zu filtrieren. Eine sichere Filtration von Viren bei der Dialyse scheiterte
daran, dass die Porenweite der eingesetzten Filter (Mikrofiltration) grösser waren als die
Viren selbst. Abhilfe und Steigerung der Effizienz der Dialyseverfahren leistet die
Nanofiltration. Durch den Einsatz von 50 nm dicken nanoporösen Membranen ist es möglich,
virensichere Filter zur Verfügung zu stellen. Die erste Lage besteht aus 15 nm kleinen,
zylindrischen Poren. Diese agieren als Virenblocker. Die zweite Lage ist ca. 150 nm dick und
eine konventionelle Mikrofiltrationsmembran. Für die Patienten soll sich die Effizienz-
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steigerung in weniger Blutwäsche-Terminen mit Krankenhausaufenthalten und in einer
geringeren Anfälligkeit für Virus-Erkrankungen äussern. Die Lebensqualität würde sich
deutlich steigern. Nano-Membranen finden weiteren Einsatz in den Dialysemaschinen und
können dort spezifische Moleküle oder Proteine je nach elektrischer Ladung unterscheiden.
Geeignet hierfür sind ultradünne Silicium-Membranen. Die äusserst feinen Poren der
Membranen (zwischen 5 nm und 25 nm klein) lassen sich genau kontrollieren und dienen
der gezielten Selektion bestimmter Proteine.
Die Kombination von nanoporösen Materialien und Mikrofiltrationsmembranen führt zu einer
Verbesserung der Viren-Filter, die auch in anderen Bereichen als der Dialyse eingesetzt
werden können. Die kombinierten Membranen werden in ihrer mechanischen Festigkeit und
Stärke verbessert und sind resistent gegen organische Flüssigkeiten. Diese Eigenschaften
der Membranen ermöglichen ihren Einsatz auch unter schwierigen Verhältnissen, zum
Beispiel bei hohen Temperaturen oder in basischen und sauren Lösungen.
Quelle: Grobe et al. (2008) Nanomedizin – Chancen und Risiken S. 40 ff.
Links Nanofiltration (Blutdialyse):
http://www.heise.de/tr/artikel/Dialyse-unplugged-278965.html
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