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Mit Nanocontainern in den Zellkern

Zelle
Der Zellkern ist für Mediziner ein interessantes Ziel. (Bild: Henrik5000/ istock)

Der Zellkern ist gewissermaßen die Schaltzentrale der Zellen: Hier befindet sich ein Großteil der Erbinformation und es laufen für die Funktion der Zelle wesentliche Vorgänge ab. Auch für Mediziner ist der Nukleus daher ein interessantes Ziel. Ließen sich therapeutische Wirkstoffe direkt und spezifisch dorthin transportieren, würden sich neue Möglichkeiten zum Beispiel für die Behandlung von Krebs ergeben. Forschern ist genau dies nun gelungen: Sie haben Nanocontainer konstruiert, die mitsamt ihrer Fracht in den Kern lebender Zellen eindringen können. Den Zutritt gewährt ihnen dabei eine spezielle molekulare „Eintrittskarte“, wie das Team berichtet.

Damit Medikamente wirken können, müssen sie im Körper zunächst das richtige Ziel erreichen. Zu diesem Zweck nutzen Mediziner mitunter sogenannte Wirkstofffähren: Sie umschließen die Mittel wie eine Kapsel und transportieren sie an den gewünschten Ort im Organismus. Allerdings ist nicht jede Stelle im Körper problemlos für solche Medikamententaxis zu erreichen. Zwar lassen sich Wirkstoffe heute sogar schon gezielt in Zellen einschleusen. Sie in den Zellkern zu transportieren, stellt jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar. Genau dort sollen Therapien gegen Krebs oder bestimmte Erbkrankheiten aber ansetzen. So nehmen Chemotherapien etwa biochemische Reaktionen ins Visier, die an der Vermehrung von Krebszellen beteiligt sind. Und Gentherapien zielen beispielsweise darauf ab, ein gewünschtes Gen in den Kern einzubauen.

Aus diesem Grund suchen Forscher schon länger nach Möglichkeiten, medizinische Wirkstoffe verlässlich in den Zellkern einzuschleusen. Christina Zelmer von der Universität Basel und ihren Kollegen ist nun ein vielversprechender Erfolg geglückt: Sie haben Nanocontainer aus biokompatiblen Bläschen entwickelt und sie in den Kern lebender Zellen eingeschleust. Um in den Nukleus einer Zelle zu gelangen, müssen Stoffe die sogenannten Kernporenkomplexe passieren. Diese sitzen in der Hülle des Zellkerns und fungieren als „Türen“, durch die Moleküle rein und raus gelangen können. Der Durchgang wird dabei jedoch längst nicht jedem Molekül gewährt, wie die Wissenschaftler berichten. Sie mussten sich daher einen Trick einfallen lassen, damit ihre winzigen Pillencontainer unbehelligt passieren konnten.

Eintrittskarte für den Kern

Die Lösung: Das Forscherteam konstruierte die sogenannten Polymersome so, dass sie weder künstlich wirken noch als Unbefugte identifiziert werden. „Die etwa 60 Nanometer großen Vesikel sind von einer flexiblen Polymermembran umgeben, die in ihrem Aufbau natürlichen Membranen ähnelt“, erklärt Zelmers Kollegin Cornelia Palivan. Zusätzlich statteten die Wissenschaftler ihre Nanocontainer mit einer Art Eintrittskarte für den Zellkern aus. Wie sie erklären, dienen spezielle Signalsequenzen aus Aminosäuren den Zellen als Unterscheidungsmerkmal: Anhand dieser sogenannten Kernlokalisationssignale differenzieren sie zwischen unerwünschten Molekülen und jenen, die in den Kern transportiert werden sollen. Damit war klar: Auch die Nanocontainer brauchten eine Signatur, die sie als zulässiger Gast ausweist.

„Die Kernlokalisationssignale ermöglichen es den Polymersomen, die zelluläre Transportmaschinerie zu kapern, welche die Ladung durch die Poren in den Kern liefert“, erklärt Zelmers Kollege Roderick Lim. Auch diese Eigenschaft orientiert sich demnach an der Natur. „Diese Strategie wird auch von einigen Viren verwendet“, sagt der Biophysiker. Wie gut aber funktioniert diese Strategie bei den Nanocontainern? Dies untersuchten die Forscher an lebenden Zellkulturen. Den Weg ihrer Polymersome verfolgten sie, indem sie sie mit Farbstoff füllten und mithilfe mikroskopischer Verfahren beobachteten. Rutheniumrot diente dabei sowohl als farbliche Markierung als auch als Fracht der Nanocontainer.

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Ziel erreicht

„Die Untersuchungen belegen, dass die von uns entwickelten Nanocontainer mit Lokalisationssignalen ermöglichen, eine künstliche Fracht ganz spezifisch in den Zellkern zu transportieren. Vesikel ohne Kernlokalisationssignale waren im Zellkern dagegen nicht nachzuweisen“, fasst Zelmer die Ergebnisse zusammen. In einem nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler die Nanocontainer statt mit Farbe mit therapeutischen Wirkstoffen beladen – so wie es für die Praxis gedacht ist. Weitere Untersuchungen müssen dabei auch zeigen, wie die Entladung der Fracht in den Zellkern kontrolliert werden kann und wie die Zellen auf den Abbau des Containermaterials reagieren, so das Fazit des Teams.

Quelle: Christina Zelmer (Universität Basel) et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, doi: 10.1073/pnas.1916395117

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