THEMEN DER ZEIT

Nanotechnologie: Viele Chancen, unbekannte Risiken

Dtsch Arztebl 2007; 104(9): A-548 / B-480 / C-464

Krüger-Brand, Heike E.

Als E-Mail versenden...
Auf facebook teilen...
Twittern...
Drucken...
Tumorzellen – vor und nach der Aufnahme von Nanopartikeln
Tumorzellen – vor und nach der Aufnahme von Nanopartikeln
Ein wesentliches Einsatzgebiet der Nanotechnologie ist die Medizin. Experten erhoffen sich dadurch vielfältige neue Ansätze für Diagnostik und Therapie. Gleichzeitig sind mögliche Risiken der Zukunftstechnologie für die Gesundheit noch weitgehend unerforscht.

Nanopartikel sind für das menschliche Auge nicht sichtbar, denn per definitionem sind die Teilchen kleiner als 100 Nanometer (ein Nanometer ist der milliardste Teil eines Meters) und daher nur mit Werkzeugen wie einem Rasterelektronenmiskroskop zu beobachten.
Nanopartikel sind für das menschliche Auge nicht sichtbar, denn per definitionem sind die Teilchen kleiner als 100 Nanometer (ein Nanometer ist der milliardste Teil eines Meters) und daher nur mit Werkzeugen wie einem Rasterelektronenmiskroskop zu beobachten.
Wer unter schmerzempfindlichen Zähnen leidet, muss möglicherweise nur die Zahncreme wechseln, um sich zu kurieren: So ist seit Kurzem nanohaltige Zahnpasta (Firma Henkel) mit einem dem Zahnmaterial ähnlichen („biomimetischen“) Wirkstoff erhältlich. Dieser aus Nano-Calciumphosphat und Eiweiß bestehende Wirkstoff reagiert mit dem im Speichel enthaltenen Calcium und den Phosphatbausteinen und setzt sich auf der Zahnoberfläche ab. Dort bildet er einen dünnen Film, der die winzigen freiliegenden Kanälchen im Dentin verschließt und so dazu beiträgt, die Schmerzempfindlichkeit zu senken.
Ob in Zahnpasta oder als UV-Schutz in Sonnencremes, in der Chiptechnologie, in kratzfesten Autola-cken und schmutzabweisenden Oberflä-chen – Nanotechnologie begegnet uns inzwischen auf Schritt und
Tritt im Alltag. Bun­des­for­schungs­minis­terin Annette Schavan hat die Nanotechnologie zu einem der „aussichtsreichsten Technologiefelder mit einem großem Marktpotenzial“ erklärt und im Rahmen der nationalen Hightech-strategie Ende 2006 die „Nano-Initiative – Aktionsplan 2010“ gestartet, in der sieben Bundesministerien ressortübergreifend zusammenarbeiten (www.bmbf.de/pub/_nano_initiative_aktionsplan_2010. pdf). Mit rund 330 Millionen Euro wurde 2006 die Nanotechnologie in Deutschland gefördert, davon investierte allein 134 Millionen Euro
das Bun­des­for­schungs­minis­terium (BMBF) in Forschung und Entwicklung (FuE) .
Doch auch weltweit gilt die Nanotechnologie als bedeutende Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts, für die Experten ein Marktpotenzial von mehr als einer Billion Euro im Jahr 2015 prognostizieren. Vor diesem Hintergrund hat die Europäische Union in ihrem kürzlich gestarteten 7. Forschungsrahmenprogramm die Fördermittel hierfür um rund zwei Milliarden auf etwa 3,5 Milliarden Euro für die Laufzeit von 2007 bis 2013 aufgestockt (Thema 4 „Nanowissenschaft, Nanotechnologien, Werkstoffe und neue Produktionstechnologien“). Hinter den USA und Japan liegt Deutschland bislang auf Platz 3, gemessen an den Ausgaben für FuE und der Zahl der beteiligten Firmen und Institute, allerdings werden hierzulande Defizite bei der kommerziellen Umsetzung bemängelt. Immerhin hängen inzwischen bundesweit rund 50 000 Arbeitsplätze von diesem Wirtschaftssegment ab – Tendenz steigend. Zu den fünf Bereichen, in denen „Leitinnovationen“ entwickelt werden sollen, zählt neben Automobilbau, Chemie, Halbleitertechnik und Lichttechnik auch die Medizin.
NanoforLife
Experten erwarten durch den Einsatz von Nanotechnologie im Gesundheitsbereich große Fortschritte in Diagnostik und Therapie, insbesondere bei Volkskrankheiten wie Krebs und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. So spricht etwa die European Science Foundation in ihrer Ende 2005 veröffentlichten Zukunftsstudie zur Nanomedizin von einem „Paradigmenwechsel im Gesundheitswesen“, der es ermöglichen werde, Menschen auf der Grundlage bekannter genetischer Prädispositionen zu überwachen, Krankheiten zu diagnostizieren, bevor Symptome auftreten, Medikamente gezielt zu verabreichen und nichtinvasive bildgebende Hilfsmittel einzusetzen, um zu zeigen, dass die Therapie wirksam war.
Den Nano-Ansatz in der Medizin fördert das BMBF durch zwei große Programme: Mit der Fördermaßnahme Nanobiotechnologie unterstützt das Ministerium bereits seit dem Jahr 2000 vor allem Projekte, die noch eine relativ lange „Time-to-market-Phase“ bewältigen müssen (www.nanobio.de). Als Ergänzung dazu wurde 2005 zusätzlich das Förderprogramm „NanoforLife“ gestartet und mit einem Budget von rund 30 Millionen Euro ausgestattet (www.bmbf.de/de/5063.php). Mit den Mitteln wolle man unter Beteiligung großer Systemverwerter vor allem „marktnähere Projekte“ fördern, so Dr. Oliver Bujock vom Projektträger VDI Technologiezentrum GmbH. Ein wesentliches Merkmal der Förderinitiative ist die interdisziplinäre Zusammenarbeit unterschiedlicher Branchen, darunter der pharmazeutischen Industrie, der Material- und Medizintechnik, der Chemie und Biotechnologie. Die in großen Verbundprojekten organisierten 3-Jahres-Projekte konzentrieren sich vor allem auf drei Felder:
- Wirkstofftransport (Drug-Delivery-Systeme): Nanopartikel sollen als „Fähren für Medikamente“ verwendet werden, um Wirkstoffe gezielt und möglichst verlustfrei zum kranken Gewebe zu transportieren. Gesunde Organe könnten dadurch geschont und Nebenwirkungen vermieden werden. Problematisch bei der Verabreichung von Medikamenten ist bislang auch, dass viele Wirkstoffe nicht in Blut oder Wasser löslich sind, von der Magensäure zersetzt werden oder biologische Barrieren wie die Blut-Hirn-Schranke nicht passieren können. Nanoskalige Trägersysteme bieten hierfür Lösungsansätze.
Darstellung der Anreicherung von Nanopartikeln auf dem Computerbildschirm: Die Nanopartikel mit Eisenkern befinden sich im Magnetofluid. Diese Nanoteilchenflüssigkeit wird in den Tumor gespritzt und dort von den Zellen aufgenommen. Foto: dpa
Darstellung der Anreicherung von Nanopartikeln auf dem Computerbildschirm: Die Nanopartikel mit Eisenkern befinden sich im Magnetofluid. Diese Nanoteilchenflüssigkeit wird in den Tumor gespritzt und dort von den Zellen aufgenommen. Foto: dpa
Vielversprechend ist beispielsweise das Förderprojekt „Thermisch aktivierbare Nanocarrier zur Krebsbekämpfung“ unter Federführung des von dem Wissenschaftler Dr. rer. nat. Andreas Jordan gegründeten Unternehmens Magforce, Berlin. In dem Projekt werden verschiedene Therapieformen miteinander kombiniert: So werden mit Biomolekülen umhüllte (superparamagnetische) Eisenoxid-Nanopartikel in Tumorzellen geschleust, wo sie durch Einschalten eines Wechselmagnetfeldes zum Vibrieren gebracht werden. Die dadurch entstehende Wärme tötet die Zellen ab. Zusätzlich dienen die Partikel als hocheffiziente Wirkstoffträger, die Antikrebsmittel in die Tumorzellen einschleusen. Thermo- und Chemotherapie sollen sich dabei „synergistisch verstärken“. Projektpartner sind die Charité Berlin und das Leibniz-Institut für Neue Materialien, Saarbrücken.
Am Klinikum rechts der Isar der Technischen Universität München (TUM) arbeiten Wissenschaftler im Rahmen eines von der EU mit 2,8 Millionen Euro geförderten internationalen Verbundprojektes an einer Methode, die es ermöglicht, Gene mit Nanopartikeln und Magnetfeldern in Körperzellen zu transportieren, um beispielsweise Erbkrankheiten, Aids und Krebs zu bekämpfen. Das Verfahren der magnetischen Arzneimitteltherapie (Nanomagnetomedizin), bei dem Genmoleküle mit magnetischen Nanopartikeln verbunden und mit einem Magnetfeld in die Zielzellen geleitet werden, wird seit Mitte der 90er-Jahre auch in der Krebsbehandlung beim Menschen angewandt. Dr. Christian Plank, Projektleiter und Biochemiker am Institut für Experimentelle Onkologie und Therapieforschung der TUM, will diese Idee auf Nukleinsäuren übertragen. Bei dem Verfahren, der „Magnetofektion“, sollen mittels magnetischer Nanopartikel die Gewinnung von blutbildenden Zellen aus dem Nabelschnurblut und die Verknüpfung dieser Stammzellen mit Gensequenzen kombiniert werden. Ziel ist es, kontrolliert „gesunde“ Blutvorläuferzellen zu gewinnen und diese in das Blut von Patienten zu übertragen, um dort genetisch defekte Zellen zu ersetzen.
- Implantat- und regenerative Medizin: In der Implantatmedizin und in der zellbasierten regenerativen Medizin (vor allem Stammzellforschung und Tissue Engineering) geht es um die Bioverträglichkeit der verwendeten Materialien.
Die spezifische Strukturierung von Oberflächen und die Nutzung nanoporöser Schichten zur Freisetzung von Wirkstoffen und bioaktiven Molekülen können dazu beitragen, die Einbettung von Implantaten in den Körper zu optimieren und die Wechselwirkung zwischen Medizinprodukt und Gewebe verträglicher zu gestalten.
Im Rahmen der regenerativen Medizin werden zum Beispiel nanostrukturierte Polymersubstrate eingesetzt, um das aufwendige und teure Verfahren der Gewinnung, Vervielfältigung und Differenzierung von humanen Stammzellen zu verbessern und in einer integrierten Prozesskette zu steuern. Die Stammzellen werden aus Knochenmark angereichert und auf nanostrukturierten Substraten gezielt gezüchtet. Ziel sei es, ein halbautomatisiertes System zu entwickeln, mit dem therapeutisch ausreichende Mengen von Stammzellen produziert werden können, so Dr. Reinhold Deppisch von der Firma Gambro, die ein mit vier Millionen Euro gefördertes Verbundprojekt hierzu koordiniert.
- In-vivo-Diagnostik: In der bildgebenden Diagnostik arbeiten Forscher an der Entwicklung nanopartikulärer Kontrastmittel, die gezielt an kranke Zellen binden. Dadurch hofft man, die Früherkennung beispielsweise bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen zu verbessern und bei Tumoren die Risikoklassifizierung und die Therapiekontrolle zu präzisieren. Langfristiges Ziel ist die Früherkennung von Erkrankungen auf zellulärer Ebene.
Beispiele hierfür sind die BMBF- Förderprojekte „Nano-Angionese“ und „Eisenherz“, in denen MRT-Kontrastmittel auf der Grundlage nanoskaliger Eisenoxidpartikel entwickelt werden, um frühzeitig physiologische beziehungsweise molekulare Prozesse, die mit bestimmten Krankheiten verbunden sind, erkennen zu können. Im Projekt „Nano-Angionese“ geht es dabei um das Herzinfarktrisiko: Mittels dieser Teilchen lassen sich entzündliche Veränderungen der Gefäßwand, die akute Gefäßverschlüsse auslösen können, nichtinvasiv nachweisen. Dazu müssen nicht nur geeignete Nanopartikel entwickelt, sondern auch die MRT-Messverfahren angepasst werden. Am Projekt unter Federführung der Firma Siemens beteiligen sich unter anderem die Charité Berlin, das Deutsche Krebsforschungszentrum (DKFZ) Heidelberg und die Universität Freiburg. Im „Eisenherz“-Projekt, an dem unter anderem Philips und Siemens als industrielle Partner sowie das Universitätsklinikum Münster und das DKFZ mitarbeiten, liegt der Schwerpunkt auf der Früherkennung von Brust- und Prostatakarzinomen.
Nanopartikel – megariskant?
„Zu Risiken und Nebenwirkungen fragen Sie Ihren Arzt oder Ihren Forschungsminister – aber beide haben zurzeit noch keine Ahnung, welche Risikowelle durch die Invasion der Nanoteilchen auf die Verbraucher zukommt“, so die Krankenkasse Securvita in einer Pressemitteilung Ende 2006. „Die Nanotechnologie findet weitgehend im Verborgenen statt“, kritisiert der Sprecher der Versicherung, Norbert Schnorbach. Eine Reihe von Nano-Produkten werde schon hergestellt, doch eine Hinweispflicht, wie bei Zusatzstoffen, in der Lebensmittelchemie oder der Gentechnik, bestehe bislang nicht.
Bei der Risikoabschätzung der Nanotechnologie geht es darum, mögliche negative Folgen der Anwendung von Nanomaterialien oder -verfahren für Mensch und Umwelt zu erkennen. Hierfür sind Daten zur Toxizität der Materialien, geeignete Messtechniken und Daten zur Exposition von Mensch und Umwelt erforderlich. Diese Daten zu gewinnen ist keine einfache Aufgabe, denn im Labor produzierte Nanopartikel sind neue Produkte, die so in der Umwelt nicht vorkommen und für die teilweise eigene physikalische und chemische Regeln gelten – der Nanokosmos unterscheidet sich wesentlich von der makroskopischen Welt.
Studien zu gesundheitlichen Auswirkungen von Nanopartikeln oder -materialien beschäftigen sich vor allem mit entzündlichen Reaktionen in der Lunge und der Lungengängigkeit von Nanopartikeln, mit der Überschreitung von Gewebsbarrieren (wie die Blut-Hirn-Schranke), mit möglichen toxischen Potenzialen für Nickel und Gold in bestimmten Partikelgrößen und mit Effekten von Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon-Nanotubes) im Tierversuch. So hat zwar die europäische Studie „Nanoderm“ bislang keine Hinweise darauf erbracht, dass Nanopartikel durch die Haut in das Körperinnere gelangen und darin Schaden anrichten können (www.uni-leipzig.de/~nano derm). Allerdings haben US-amerikanische Wissenschaftler von der North Carolina State University kürzlich nachgewiesen, dass Nanopartikel in gedehnte Hautproben eindringen können – je länger der Dehnvorgang dauerte, desto größer war die Menge der Teilchen, und desto tiefer waren sie ins Gewebe eingedrungen.
Verbraucherschützer fordern eine eindeutige und verständliche Kennzeichnung von Nanotechnologien in Konsumgütern, wie Lebensmitteln, Kosmetika und Textilien, sowie die Festlegung von Standards hierfür. Nanoskalige Stoffe in Lebensmitteln und Verpackungen sollten zusätzlich ein Zulassungsverfahren durchlaufen. Darüber hinaus kritisieren sie, dass es bislang kaum Analyse- und Messverfahren gibt, mit denen Nanopartikel kontrolliert werden können. In die Risikobewertung, so eine weitere Forderung, müssen auch Herstellung, Nutzung und Entsorgung der Produkte einbezogen werden. Außerdem müsse die Risikoforschung stärker gefördert werden.
Die Bundesregierung sieht jedoch vorerst keinen Veränderungsbedarf bei bestehenden Gesetzen und Vorschriften aufgrund nanotechnologischer Entwicklungen, weil ihrer Ansicht nach die bisherigen Regelungen, beispielsweise im Chemikaliengesetz, im Lebensmittel- und Futtergesetz, im Arzneimittelgesetz oder im Medizinproduktegesetz, auch für nanopartikelbasierte Produkte greifen.
Heike E. Krüger-Brand

Nanometer-Darstellung der Oberfläche eines Wavers in einem Elektronenmikroskop im Hintergrund und das Aufnahmeobjekt im Größenvergleich Foto: dpa
Nanometer-Darstellung der Oberfläche eines Wavers in einem Elektronenmikroskop im Hintergrund und das Aufnahmeobjekt im Größenvergleich Foto: dpa
Forschungsprojekte zur Risikoabschätzung

Beispiele für Projekte, die sich mit möglichen Gesundheitsgefahren durch Nanotechnologie beschäftigen
- NanoCare: In dem BMBF-Projekt untersuchen Industrie und Wissenschaftseinrichtungen gemeinsam die Auswirkungen industriell hergestellter Nanopartikel auf Gesundheit und Umwelt. Start: März 2006, Laufzeit: drei Jahre, Förderung: rund 5 Millionen Euro sowie 2,6 Millionen Euro Fördergelder von der Industrie, Projektkoordination: Forschungszentrum Karlsruhe. im Projekt will man neuartige Nanopartikel herstellen und in Modellen auf ihre toxikologische Wirkung untersuchen.
- INOS: Das Projekt ist auf die Entwicklung von Methoden zur Bewertung des Gefährdungspotenzials von technischen Nanopartikeln, vor allem von keramischen und metallischen Partikeln als auch von Kohlenstoffnanoröhren, ausgerichtet. Die Ergebnisse sollen in einer Datenbank öffentlich zugänglich gemacht werden. Das Projekt wird von vier Forschungseinrichtungen und einem Biotechnologie-Unternehmen getragen. Start: Januar 2006, Förderung: 1,1 Millionen Euro.
- Nanotechnologie und Gesundheit – Technische Optionen, Risikobewertung und Vorsorgestrategien. Im Rahmen des von der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e.V. geförderten Projektes werden synthetische Nanopartikel und neuronale Implantate im Hinblick auf Potenziale und Risiken untersucht. Start: April 2006, Laufzeit: drei Jahre, Projektkoordination: Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS), Forschungszentrum Karlsruhe.
Anzeige

    Leserkommentare

    E-Mail
    Passwort

    Registrieren

    Um Artikel, Nachrichten oder Blogs kommentieren zu können, müssen Sie registriert sein. Sind sie bereits für den Newsletter oder den Stellenmarkt registriert, können Sie sich hier direkt anmelden.

    Fachgebiet

    Zum Artikel

    Alle Leserbriefe zum Thema

    Login

    Loggen Sie sich auf Mein DÄ ein

    E-Mail

    Passwort

    Anzeige