Mikroroboter: Forscher revolutionieren Krebs-Therapie – mit diesem Trick
Chemotherapien sind effektiv, führen aber zu vielen Nebenwirkungen. Darauf haben Chemiker nun eine geniale Antwort.
Ein Nanoroboter schwimmt durch die Blutbahn (Symbolbild). Forschende kommen dem Ziel, Krebs mit Nanotechnologien zu bekämpfen, immer näher.
Foto: panthermedia.net/gorbovoi81
Die pharmazeutische Forschung schreitet voran. Moderne Arzneistoffe weisen molekulare Strukturen auf, um nur an Krebszellen zu binden, nicht jedoch an gesundes Gewebe. Diese Strategie hat zwei Nachteile. Sie eignet sich nicht für alle Arten von Krebs. Und versagen individuelle Behandlungen dieser Art, greifen Ärztinnen und Ärzte doch wieder auf Chemotherapien zurück.
Seit 1942 nutzt die Onkologie Zytostatika, sprich auf Moleküle, die Zellen im Wachstum hindern oder sogar in den Untergang treiben. Mit ihnen lassen sich viele Krebsarten erfolgreich behandeln. Solche Chemotherapien unterscheiden nicht zwischen Krebs und gesunden Zellen, was zu diversen Nebenwirkungen wie Übelkeit, Erbrechen oder Haarausfall führen kann. Das muss nicht sein, wie chinesische Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler jetzt berichten. Sie haben per 3D-Druck fischförmige Mikroroboter hergestellt, die mit Magneten zu Krebszellen gelenkt werden. Aufgrund von pH-Unterschieden öffnen sie im Krebsgewebe ihren „Mund“ und setzen das Chemotherapeutikum frei.
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Krebs bekämpfen: Umfangreiche Vorarbeiten im Labor
Die Arbeitsgruppe hatte bereits Erfahrungen, um Roboter im Mikromaßstab, sprich kleiner als 100 Mikromter (µm), herzustellen. Aber solche Objekte weisen stabile Formen auf. Sie sind nicht in der Lage, komplexe Aufgaben wie die gezielte Freisetzung von Medikamenten auszuführen. Andere Forschergruppen haben im Labor per 3D-Druck Objekte hergestellt, die ihre Form bei äußeren, chemischen Reizen veränderten, aber nur simple Bewegungen ausführen konnten. Ihre Bewegung ließ sich von Forschenden nicht steuern.
In einem Schritt hin zu biomedizinischen Anwendungen für diese Geräte wollten Chemikerinnen und Chemiker formverändernde Mikroroboter entwickeln, die mit Hilfe von Magneten zu bestimmten Stellen geführt werden können, etwa zu einem Tumor, um dort Wirkstoffe freizusetzen. Da Tumore in sauren Mikroumgebungen vorkommen, versuchte das Team, Mikroroboter herzustellen, die als Reaktion auf einen niedrigeren pH-Wert ihre Form verändern. Die Forschenden druckten 4D-Mikroroboter in Form einer Krabbe, eines Schmetterlings oder eines Fisches aus pH-reaktivem Hydrogels. Unter dem Begriff „4D“ verstehen sie 3D-gedruckte Objekte, die ihre Form aufgrund eines weiteren Faktors, hier des pH-Werts, verändern. Durch Anpassen der Druckdichte in bestimmten Bereichen der Form, etwa an den Kanten der Krabbenklauen oder den Flügeln des Schmetterlings, kodierte das Team eine pH-abhängige Formveränderung. Anschließend machten sie die Mikroroboter mit einer Suspension aus Eisenoxid-Nanopartikeln magnetisch.
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Experimente im Labor: Chemikalien gezielt freisetzen
In mehreren Tests demonstrierten die Forscherinnen und Forscher verschiedene Fähigkeiten ihrer Tools. Ein fischförmiger Mikroroboter verfügte beispielsweise über einen verstellbaren „Mund“, der sich via pH-Wert öffnen und schließen ließ. Das Team zeigte, dass sich der Fisch durch simulierte Blutgefäße steuern lässt, um Krebszellen in einem bestimmten Bereich einer Petrischale zu erreichen. Als sie den pH-Wert der umgebenden Lösung senkten, öffnete der Fisch seinen Mund und setzte ein Chemotherapeutikum frei, das die Zellen in der Nähe abtötete.
„Obwohl diese Studie ein vielversprechender Beweis für das Konzept ist, müssen die Mikroroboter noch kleiner gemacht werden, um durch echte Blutgefäße zu navigieren, und es muss eine geeignete Bildgebungsmethode gefunden werden, um ihre Bewegungen im Körper zu verfolgen“, schreiben die Forschenden.
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Kugelförmige Bioroboter bekämpfen Krebs
Eine andere Strategie wählten Ingenieurinnen und Ingenieure am California Institute of Technology, Pasadena. Ihre Mikroroboter bestehen aus mikroskopisch kleinen Kugeln aus metallischem Magnesium, die mit dünnen Schichten aus Gold und Parylen, einem verdauungsresistenten Polymer, überzogen sind. Die Schichten lassen einen kreisförmigen Teil der Kugel unbedeckt, vergleichbar mit einem Bullauge. Medikamente befinden sich im Inneren. Der unbedeckte Teil des Magnesiums reagiert mit Säure im Körper. Blasen entstehen und treiben die Kügelchen voran. Kugeln zwar in der Lage, Medikamente zu transportieren, doch fehlt ihnen noch die entscheidende Fähigkeit, an einen Tumor zu gelangen.
Das gelang am Beispiel von Darmkrebs mit einem Trick: Die Kügelchen wurden mit einem speziellen Wachs beschichtet, um den Magen zu passieren. Im Darm bestimmen Forschende mit Hilfe der photoakustischen Computertomographie die Position ihrer Mikroroboter. Sind diese nah bei Tumoren, sorgt infrarotes Laserlicht dafür, dass das Wachs abschmilzt. Die Düse wird aktiviert und treibt Mikroroboter direkt ins Tumorgewebe. Dort setzen sie ihre Medikamente frei. Mit der Strategie sind lokal deutlich höhere Konzentrationen möglich als bei einer Gabe der Chemotherapie als Infusion oder als Injektion.
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