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