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Medizin

Wer eine Brille trägt, schätzt vermutlich entspiegelte Gläser. Wer unter offenen Zahnhälsen leidet, hofft auf Zahncremes, die Abhilfe schaffen. In beiden Fällen kommen schon heute Nanomateralien zum Einsatz. Die medizinische Versorgung – so die Erwartung – soll mit Hilfe von Nano-Anwendungen künftig noch besser werden.

Nano-Einsatz in Medikamenten

Manche Medikamente enthalten Nanopartikel; Foto: tante matilda/ Quelle: PHOTOCASE

In der Medizin und der medizinischen Forschung spielen Nanotechnologien eine große Rolle. In vielen Medikamenten werden schon heute Nanokapseln eingesetzt. Wie „Taxis“ können sie die eingeschlossenen Arzneistoffe genau an den Ort im Körper bringen, an dem sie ihre Wirkung entfalten sollen. Mit Hilfe dieser Technik sollen Medikamente besser dosiert und Nebenwirkungen verringert werden.

Solche „Nano-Transporter“ bieten zudem die Möglichkeit, biologische Barrieren wie die Blut-Hirnschranke im Körper zu überwinden. Mediziner hoffen, auf diese Art neurologische Erkrankungen oder Hirntumore zielgenauer behandeln zu können.

Die Hoffnung könnte sich durch neu entwickelte Nano-Diamanten erfüllen, die mit Eiweiß beschichtet sind. Die Beschichtung wurde aus dem Eiweiß Albumin gewonnen, das im Blut vorkommt. So verpackt, können die Nano-Diamanten die Blut-Hirnschranke passieren und ins Gehirn aufgenommen werden. Die Eiweißschicht ermöglicht es außerdem, Medikamente an die Nanopartikel zu binden und gezielt in erkrankte Regionen im Gehirn zu bringen. Doch die Nano-Diamanten fungieren nicht nur als Transportmittel. Sie sind so konstruiert, dass sie durch Laserstrahlen oder bildgebende Verfahren sichtbar gemacht werden können. Daher könnten sie ebenfalls für die Diagnose von Erkrankungen im Gehirn eingesetzt werden.
 

Diagnose mit Hilfe von Nanotechnologien

Für die Diagnostik werden nanopartikuläre Kontrastmittel entwickelt, die sich an erkrankte Zellen heften und diese markieren. So sollen Erkrankungen im Körper frühzeitiger und genauer lokalisiert werden können. Entscheidende Vorteile soll das vor allem für die Früherkennung und Behandlung von Krebserkrankungen bringen. Außerdem arbeiten Wissenschaftler an Sensoren und Messtechniken, die auf Nanotechnologien basieren.

Ein Beispiel sind Nanodetektoren“. Das sind Katheder, die mit Nanopartikeln aus Gold beschichtet sind, an denen wiederum bestimmte Antikörper kleben. Diese werden in die Vene des Patienten eingeführt und helfen zum Beispiel Tumorzellen im Blut aufzuspüren.

Auch bei der Weiterentwicklung von Messgeräten für die so genannte Point-of-Care-Diagnostik setzen Forscher Nanomaterialien ein. Mit den Geräten werden Blutuntersuchungen direkt am Patienten oder von ihm selbst durchgeführt und liefern innerhalb weniger Minuten die Ergebnisse. Ein Beispiel sind Blutzucker-Messgeräte für Diabetiker.

Viele dieser Point-of-Care-Geräte funktionieren elektrochemisch, d. h. die Messung erfolgt durch eine Kombination von chemischen Reaktionen und elektrischen Signalen. Um die verwendeten Elektroden haltbarer zu machen und gleichzeitig das Spektrum der nachweisbaren Substanzen zu erweitern, haben Forscher eine neuartige Nano-Beschichtung entwickelt. Sie besteht aus einer Struktur aus Eiweiß, die von einem Netz aus Gold-Nanodrähten, Gold-Nanopartikeln oder Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT, Carbon Nano Tubes) gestützt wird. Ein solcher Verbund von Nanomaterialien wird auch als Nanokomposite bezeichnet. Nun wird geprüft, wie die neue Technologie vermarktet werden kann.

In den Grenzbereich zwischen Medizin, Fitness und Lifestyle fallen die so genannten Wearables. Das sind kleine Computersysteme, die am Körper getragen werden. Sie können die Herzfrequenz, den Blutdruck oder andere Körperfunktionen messen, diese Daten sammeln und an andere Geräte zur Auswertung übertragen. Sie lassen sich für die Selbst-Kontrolle, aber auch für die ärztliche Überwachung nutzen. Bekannt sind vor allem Fitnessarmbänder und Smartwatches, daneben gibt es Kleidung oder Kopfhörer, in die solche Mini-Computer eingebaut sind. Im Bereich der Kleidung entwickelten Wissenschaftler einen sehr dehnbaren, leitfähigen, atmungsaktiven und stabilen Stoff, bei dem sie Nanotechnologien nutzten. Zum Einsatz kam eine Kombination aus Silber-Nanodrähten und Nanofasern aus dem Kunststoff Polyurethan (PU). In weiteren Schritten soll das Material weiterentwickelt und verbessert werden.

Die für Wearables verwendeten Materialien können in die Gruppe der advanced materials eingeordnet werden. Zu klären ist, ob und welche Risiken sie für Verbraucher haben können. Darauf wies das Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) im Rahmen des NanoDialogs der Bundesregierung zum Thema "advanced materials" im Jahr 2019 hin. Mehr zur Diskussion über advanced materials finden Sie hier

Nanopartikel in der Therapie

Chirurgisches Besteck wird oft mit Nanosilber beschichtet; Foto: Jenzig 71/ Quelle: PHOTOCASE

In der Therapie kommen Nanomaterialien auf unterschiedliche Weise zum Einsatz. Mit Nanosilber beschichtete Wundverbände, Katheter oder chirurgisches Besteck verringern das Infektionsrisiko, weil Silber antibakteriell wirkt. Allerdings sehen Wissenschaftler inzwischen die Gefahr, dass Keime gegen diese Wirkung resistent werden könnten, weil Silber zunehmend auch in Alltragsprodukten - wie Kleidung oder Haushaltsgegenständen - eingearbeitet wird.

Krebs

In der Tumor-Therapie gibt es bereits Erfolge mit Nano-Partikeln aus Eisenoxid. Sie werden gezielt ins Tumorgewebe eingebracht und mit Hilfe eines elektromagnetischen Feldes erhitzt – die Tumorzellen werden dadurch schwer beschädigt oder sterben, während das umliegende Gewebe unbeschädigt bleibt. Das Verfahren ist für Hirntumore in der Europäischen Union zugelassen und wurde in der klinischen Praxis erprobt. In unserer Bildreportage Nano-Eisen gegen Tumore erfahren Sie mehr. Inzwischen wird die Therapieform in einigen Kliniken in Deutschland angeboten. Da es sich um eine neuartige Therapieform handelt, ist im individuellen Fall zu klären, welche Kosten von den Krankenkassen erstattet werden.

Ein ähnlicher Effekt wie bei den Nano-Partikeln aus Eisenoxid wurde bei Nano-Partikeln beobachtet, die aus einer Nano-Gold-Hülle mit einem Kern aus Siliziumdioxid bestehen. Sie werden als „gold nanoshells“ (= Gold-Nanohüllen) bezeichnet. Sie werden ebenfalls direkt in den Tumor eingeführt und dann mit einem Laser gezielt bestrahlt. Durch die entstehende Wärme stirbt das Tumorgewebe ab. Dabei können die angrenzenden Bereiche geschont und somit das Risiko für unerwünschte Nebenwirkungen gesenkt werden. Eine klinische Pilot-Studie zeigte erste Behandlungserfolge bei Patienten mit Prostatakrebs, weitere Studien sollen folgen.

Implantate

Bei Herzschrittmachern, Prothesen oder anderen Implantaten sollen nanotechnologische Lösungen helfen, die Abwehrreaktion des Körpers zu vermindern und das Einwachsen zu erleichtern. Gelenkprothesen werden zum Beispiel mit einer nanokristallinen Diamantbeschichtung versehen, um die Gleitfähigkeit des Gelenks zu verbessern und den Verschleiß zu vermindern. Nanobeschichtete Implantate gelten als stabiler und langlebiger als herkömmliche. Auch Ersatzmaterial für Knochen und Zähne wird mit Hilfe nanotechnologischer Verfahren hergestellt.

Neben der körpereigenen Abwehr sind es Bakterien, die erhebliche Probleme bereiten können. Sie können beim operativen Einsatz von künstlichen Gelenken eingeschleppt werden und zu Infektionen führen. In dem Fall muss das Implantat wieder entfernt und der Patient mit Antibiotika behandelt werden, bevor erneut operiert werden kann. Eine vielversprechende Lösung zeigten Versuche, bei denen Gelenkprothesen aus Titan mit Nanostrukturen beschichtet werden. Mit einem speziellen Verfahren werden auf ihrer Oberfläche nanometerkleine Säulen aus dem Metall erzeugt. Sie ragen wie Nägel heraus und bewirken, dass auftreffende Bakterien regelrecht aufgespießt und zerrissen werden. Zusätzlich werden nanoskaliges Silber und Platin auf die Nanosäulen aufgebracht. Daraus werden antibakteriell wirkende Silberionen freigesetzt und die Wirksamkeit erhöht. Das Silber wird bei dem Prozess innerhalb weniger Tage verbraucht. In dieser Zeit können die Nanosäulen entscheidend dazu beitragen, eine Infektion nach der Operation zu verhindern. Als positiver Nebeneffekt scheinen sie den Heilungsprozess anzuregen. Klinische Untersuchungen müssen zeigen, ob sich die Nanosäulen in der Praxis bewähren.

Vorbild für diese Nanostrukturen ist, wie bei anderen Anwendungen der Nanotechnologie auch, die Natur. In dem Fall sind es Nanosäulen auf den Flügeln einiger Zikadenarten, die aus einem wachsähnlichen Material bestehen und der Bakterienabwehr dienen.

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(Stand Mai 2020)

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