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Medizin

Magnetische Bakterien gegen Krebs

Magnetische Bakterien (grau) können die Blutgefässwand durch Zellzwischenräume verlassen und in Tumore eindringen. © Yimo Yan / ETH Zürich

Wie gelangen Krebsmedikamente am effizientesten zu ihrem Zielort in Tumoren? Eine Studie zeigt nun, dass magnetische Bakterien dabei helfen könnten. Beladen mit dem Wirkstoff lassen sich die biohybriden Mikroroboter durch ein von außen angelegtes Magnetfeld gezielt zum Tumor steuern, können in diesen eindringen und das Chemotherapeutikum dort freisetzen. Versuche in Zellkulturen und Mäusen verliefen vielversprechend.

Bakterien der Gattung Magnetospirillum leben in sauerstoffarmen Gewässern und nehmen gelöstes Eisen aus ihrer Umgebung auf. Dadurch werden sie selbst magnetisch und können sich am Magnetfeld der Erde orientieren. Diese Eigenschaft macht sie auch für die Forschung interessant. Eine frühere Studie hat bereits gezeigt, dass sie sich mit Hilfe von Magnetfeldern bewegen und steuern lassen. Aus eigenem Antrieb bewegen sich die Bakterien zudem in Bereiche mit der von ihnen bevorzugten niedrigen Sauerstoffkonzentration. Solche Bedingungen herrschen unter anderem im Inneren vieler Tumoren.

Lebende Mikroroboter

Ein Team um Tinotenda Gwisai von der ETH Zürich hat nun ausgetestet, wie sich die besonderen Eigenschaften von Magnetospirillum für eine zielgerichtete Tumortherapie nutzen lassen könnten. „Biohybride Mikroroboter auf Bakterienbasis werden zunehmend als vielversprechende, von außen steuerbare Vehikel für die gezielte Krebstherapie anerkannt“, schreiben die Autoren. „Insbesondere Magnetfelder gelten als sicheres Mittel zur Energieübertragung und zur Steuerung ihrer Bewegung.“

Die Idee dahinter: Statt ein Chemotherapeutikum einfach in die Blutbahn zu geben, von wo aus es nicht nur zum Tumor, sondern auch in viele andere Regionen des Körpers gelangt und dort Schaden anrichtet, sollen die Bakterien das Medikament direkt zum Tumor transportieren und erst dort entlassen. Das soll die Therapie effektiver gestalten und gleichzeitig Nebenwirkungen reduzieren. Die Herausforderungen dabei: Zum einen müssen die Bakterien überhaupt erst in die Nähe des Tumors kommen, zum anderen müssen sie dort die Gefäßwand durchdringen, um aus dem Blutgefäß in den Tumor zu gelangen.

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Wegweiser und Antrieb in einem

In Zellkulturen und an Mäusen haben Gwisai und ihr Team nun untersucht, wie ein von außen angelegtes Magnetfeld dabei helfen kann. In einem Versuch injizierten sie Mäusen mit Tumoren die Bakterien in die Schwanzvene und richteten ein rotierendes Magnetfeld auf den Tumor. Nach 24 Stunden untersuchten sie, wie viele Bakterien sich im Tumor angesammelt hatten. Und tatsächlich: Die meisten Bakterien befanden sich tatsächlich im Tumor; nur wenige hatten sich in anderen Organen angereichert.

Mit Hilfe weiterer Experimente und Computersimulationen wiesen die Forscher nach, dass das rotierende Magnetfeld dabei gleich auf mehrfache Weise hilft: Erstens erfasst es alle Bakterien, die in den Bereich des Magnetfelds kommen, und lenkt sie in die richtige Richtung. Zusätzlich versetzt es sie – anders als ein statisches Magnetfeld – in eine Rotation um die eigene Achse und hält sie ständig in Bewegung. Dadurch gelingt es den Bakterien besser, sich in Tumornähe durch temporär entstehende Lücken in der Gefäßwand der Blutgefäße zu zwängen und in den Tumor einzudringen. Das Magnetfeld gibt also nicht nur die Richtung vor, sondern liefert auch den Antrieb.

Bakterielle Krebstherapie

Zusätzlich zum Magnetfeld setzen die Forscher auch auf die bakterieneigene Tendenz, sich in sauerstoffarme Bereiche zu bewegen. „Wir nutzen auch die natürliche und autonome Fortbewegung der Bakterien“, erklärt Gwisais Kollegin Simone Schürle. „Haben die Bakterien die Blutgefäßwand einmal passiert und sind sie im Tumor, können sie autonom tief in ihn eindringen.“ In Zellkulturen und dreidimensionalen Tumormodellen wiesen die Forscher zudem nach, dass die Bakterien tatsächlich in der Lage sind, eine Fracht mit in den Tumor zu transportieren. Dazu hängten sie den Bakterien Nanobläschen aus fettartigen Stoffen, sogenannte Liposomen, an, die mit einem fluoreszierenden Farbstoff gefüllt waren. Wie erhofft, reicherte sich der Farbstoff im Inneren des Tumorgewebes an. Auf die gleiche Weise ließe sich auch ein Medikament transportieren.

In zukünftigen Studien will das Forschungsteam nun klären, inwieweit sich auch andere Bakterien, die nicht von Natur aus magnetisch sind, in der Krebstherapie einsetzen lassen. Dazu könnte es möglich sein, medizinisch gut erforschte Bakterien wie Escherichia coli so zu manipulieren, dass sie ebenfalls magnetisch werden. Zudem ließen sich womöglich auf die gleiche Weise Bakterien nutzen, von denen bereits frühere Studien gezeigt haben, dass sie das Immunsystem dazu bringen, verstärkt Krebszellen anzugreifen. „Wir denken, dass wir mit unserem Ingenieur-Ansatz die Wirksamkeit der bakteriellen Krebstherapie erhöhen können“, so Schürle.

Quelle: ETH Zürich, Fachartikel: Tinotenda Gwisai et al., Science Robotics, doi: 10.1126/scirobotics.abo0665

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