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Technik & Medizin

So überwinden Kampftruppen den Blutstrom

Entlang eines künstlichen Mikrotubulus können therapeutische Partikel präzise zum Einsatzort transportiert werden – sogar gegen die Strömung. © Adapted from Gu, H., Hanedan, E., Boehler, Q. et al. Artificial microtubules for rapid and collective transport of magnetic microcargoes. Nat Mach Intell (2022). https://doi.org/10.1038/s42256-022-00510-7

Auf dem Weg zur zielgenaueren Behandlung: Forscher haben raffinierte Fasern entwickelt, die eines Tages therapeutische Mikropartikel auch gegen den Blutstrom zu Verstopfungen in Gefäßen oder zu Tumoren transportieren könnten. Wie bei einer mikroskopischen Eimerkette wandern dabei spezielle Partikel entlang magnetischer Trittsteine auf einer Polymerfaser zum Zielort. Die Natur lieferte die Inspiration für das Konzept: Die Mikrotubuli der Zellen standen Pate für diese vielversprechende Technologie, sagen die Wissenschaftler.

Präzision und Schlagkraft sind gefragt! Verschiedene Forschergruppen auf der Welt entwickeln momentan Partikel- und Mikroroboter-Systeme, die starke Medikamente möglichst genau zu den Orten im Körper bringen sollen, wo sie benötigt werden. Ein Problem ist dabei allerdings häufig, dass die freischwimmenden Winzlinge mit den komplexen Flüssigkeitsströmen im menschlichen Körper zu kämpfen haben.

„Deshalb kommt es häufig zu einer Zerstreuung der Partikel. Was man aber eigentlich erreichen möchte, ist, dass die größte Konzentration des Therapeutikums an einer bestimmten Stelle vorhanden ist und es sich nirgendwo anders verteilt, denn das könnte zu gesundheitlichen Bedrohungen führen“, sagt Arnold Mathijssen von der University of Pennsylvania in Philadelphia. Bislang werden Katheter und Mikronadeln eingesetzt, um eine möglichst zielgenaue Applikation zu ermöglichen. Doch diese Gebilde können nicht beliebig verschlankt werden. Denn bei Unterschreitung bestimmter Größen transportieren sie mikroskopisch kleine Objekte nicht mehr effektiv. Deshalb können bisher auch die filigransten Katheter und Mikronadeln feinere Blutgefäße im Körper nicht erreichen.

Bio-inspiriertes Transportsystem

Um Lösungen für die bisherigen Probleme der zielgenauen Wirkstoffapplikation zu finden, ließen sich Mathijssen und seine Kollegen von der Biologie inspirieren. „In den Zellen gibt es eine wunderbare Lösung: Mikrotubuli, die Teil des Zytoskeletts sind, verwenden molekulare Antriebssysteme, um Lasten an verschiedene Orte in der Zelle zu transportieren“, sagt Mathjissen. Dieses Beförderungssystem kommt dabei auch mit Strömungsschwankungen zurecht, ähnlich wie wir sie in Blutgefäßen und anderswo im Körper finden. Deshalb haben wir uns der Aufgabe gewidmet, mittels Nanotechnologie ein System zu entwickeln, das als ein ähnlicher Transportmechanismus fungieren kann“, so Mathjissen.

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Wie die Wissenschaftler berichten, gelang es ihnen, eine künstliche Version der Mikrotubuli zu entwickeln. Es handelt sich dabei um dünne Fasern, deren Grundmaterial elastische Polymere bilden. Mit einer Breite von nur 80 Mikrometern sind diese künstlichen Mikrotubuli schmal genug, um durch enge Blutgefäße zu gleiten, erklären die Forscher. Die funktionellen Einheiten bilden magnetische Nickelplättchen, die in bestimmten Abständen wie Trittsteine in die Fasern integriert sind. Durch das Anlegen eines rotierenden Magnetfeldes um die künstlichen Mikrotubuli herum werden diese Nickel-Trittsteine zu Magneten. Dadurch können sie metallische Mikroroboter in eine Vorwärtsbewegung versetzen. „Wir platzieren die Mikrotubuli in einem rotierenden Magnetfeld, wie bei einem MRT-Gerät. Wenn man das Feld langsam dreht, bewegen sich die Teilchen“, erklärt Mathijssen.

Mikro-Highways für therapeutische Partikel

Um das Potenzial des Konzepts auszuloten, führten die Forscher Experimente durch, in denen sie die Leistung des Transportmechanismus in Blutgefäß-ähnlichen Netzwerken testeten. Wie sich zeigte, konnten die Mikropartikel selbst bei Flüssigkeitsströmungen, die der Dynamik des Blutflusses entsprechen, entlang der künstlichen Mikrotubuli-Faser wandern. Durch die Feineinstellung des Magnetfelds konnten die Wissenschaftler dabei sicherstellen, dass die Partikel selbst in komplexen Gefäßnetzen genau an den vorgesehenen Ort gelangten.

Bisher handelt es sich bei den Ergebnissen um ein „Proof of Concept“: Um ihr Konzept in eine praktisch einsetzbare Form zu bringen, ist nun weitere Entwicklungsarbeit nötig, sagen die Forscher. So muss etwa das giftige Nickel in den magnetischen Trittsteinen durch unproblematische Materialien ersetzen werden – Eisenoxid kommt dabei in Frage. Anschließend könnte sich das System zu einem interessanten Werkzeug für die Medizin entwickeln, ist das Team überzeugt: Die gezielte Abgabe von Medikamenten und die Entfernung von Blutgefäßablagerungen sind dabei offensichtliche Anwendungsmöglichkeiten. „Wir glauben, dass diese ‚Mikro-Highways für Mikroroboter‘ eine alternative Lösung zu freischwimmenden Mikrorobotern und anderen aktuellen Technologien bieten können und damit einen robusten biomedizinischen Mikrotransport viel näher an die Realität bringen“, sagt Mathijssen abschließend.

Quelle: University of Pennsylvania, Fachartikel: Nature Machine Intelligence, doi: 10.1038/s42256-022-00510-7

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