Arten von Nanopartikeln und ihre Anwendung

Zu einer der meist untersuchten Form von Nanopartikeln zählen die magnetischen Nanopartikel. Sie repräsentieren eine Untergruppe der Nanopartikel, die aufgrund ihrer kleinen Größe die Fähigkeit haben, an im Körper ansonsten schwierig zu erreichende Orte zu gelangen und die dank ihrer superparamagnetischen Eigenschaften durch externe Magnetfelder an die gewünschte Lokalität im Organismus gesteuert werden können (KIM et al. 2012; NGUYEN 2012). Im Allgemeinen bestehen magnetische Nanopartikel aus Eisenoxiden und hier vornehmlich aus ferrimagnetischem Magnetit (Fe3O4) oder Maghemit (Fe2O3) (NGUYEN 2012). Diese Partikel gelten als superparamagnetisch. Das bedeutet, dass sie in einem externen Magnetfeld magnetisiert werden können, jedoch nach Verlassen des Feldes keine Remanenz aufweisen (nicht magnetisch bleiben). Somit ist die Gefahr von Agglomerationen aufgrund sich gegenseitig anziehender Kräfte ausgeschaltet (POLYAK u. FRIEDMAN 2009; OWEN et al. 2012). Zur Funktionalisierung werden diese Partikel häufig mit organischen oder anorganischen Molekülen beschichtet (NEUBERGER et al. 2005; CHOMOUCKA et al. 2010;

FURLANI 2010; KIM et al. 2012). Auf diese Weise können solche Partikel zum Beispiel vor der frühzeitigen Opsonisierung und Phagozytose durch das retikuloendotheliale System (RES) bewahrt und die zirkuläre Halbwertzeit verlängert werden (POLYAK u. FRIEDMAN 2009). Zu den gängigsten Beschichtungen zählen Polyethylenglykol (PEG), Folsäure, Dextrane, Silica und Proteine (MCCARTHY u.

WEISSLEDER 2008; POLYAK u. FRIEDMAN 2009; CHOMOUCKA et al. 2010; KIM et al. 2012). Diese erfüllen Funktionen wie eine Halbwertzeitverlängerung, die Anvisierung von Krebszellen, die Erleichterung der onkologischen Stadieneinteilung

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und die Markierung von Amyloiden. Matsuo et al. (2003) haben als weitere Variante magnetische Nanopartikel mit Liposomen umhüllt und rhBMP-2 (recombinant human bone morphogenetic protein-2) inkorperiert, um die Knochenformation in einem Knochendefekt-Rattenmodel zu verbessern.

Die Größe der Partikel spielt bei allen Anwendungen eine wichtige Rolle. Generell gilt, je größer die Partikel sind, desto kürzer ist ihre Halbwertszeit im lebenden Organismus, desto schwieriger sind sie zu applizieren und desto höher ist die Gefahr, dass sie das umgebende Gewebe irritieren und kleine Blutgefäße embolisieren (POLYAK u. FRIEDMAN 2009; OWEN et al. 2012). Partikel kleiner als 4µm werden hauptsächlich durch das RES in Leber und Milz aus dem Blutkreislauf eliminiert (NEUBERGER et al. 2005). Eine Größe von ca. 200nm wird für die intravenöse Applikation mit gleichzeitig langer Halbwertszeit als optimal angegeben (MOGHIMI et al. 2001).

Der Einsatz der magnetischen Nanopartikel in der Medizin ist vielfältig. Zu den wichtigsten Anwendungsgebieten gehören der zielgerichtete Transport von Medikamenten, Zellen und Genen, die Hyperthermie zur Hitzebehandlung von Tumoren aber auch der Einsatz als Kontrastmittel oder als Sensor für verschiedene Metaboliten oder Biomoleküle (MCCARTHY u. WEISSLEDER 2008; POLYAK u.

FRIEDMAN 2009; CHOMOUCKA et al. 2010; FURLANI 2010; KIM et al. 2012;

WENZEL et al. 2012). Im Hinblick auf den Transport von Medikamenten gibt es unzählige Möglichkeiten. So beschrieben Huh et al. (2011) hauptsächlich die Kopplung von Antibiotika an magnetische Nanopartikel. Sie sehen hierin einen großen Vorteil in der längeren Halbwertszeit der Partikel im Körper im Vergleich zu

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ungekoppelten antibiotischen Molekülen. Auch Chemotherapeutika wie Doxorubicin werden von mehreren Forschergruppen an magnetische Nanopartikel gebunden, in der Hoffnung, die Belastung des Patienten durch eine gerichtete Anreicherung und somit eine niedrigere Stoffkonzentration im Gesamtorganismus zu verringern (NOBUTO et al. 2004; NIECIECKA et al. 2012). Lalatonne et al. (2010) kombinierten superparamagnetische Partikel mit Bisphosphonaten, die vor allem die Behandlung von Calciumstoffwechselerkrankungen und Osteoporose unterstützen sollten. Hierzu wurden zunächst in vitro Toxizitätsstudien und Untersuchungen zur zellulären Aufnahme der Partikel in humane Osteosarkomzellen durchgeführt. Zuletzt genannter Autor beschrieb gleichzeitig die Verwendung der Nanopartikel als Kontrastmittel in der Magnetresonanztomographie (MRT). Im MRT ändern sowohl T1 als auch T2 gewichtete Bilder deutlich ihre Signalstärke mit ansteigender Anzahl von magnetischen Nanopartikeln (MNP‘s) als Kontrastmittel (LALATONNE et al. 2010).

Aufgrund des größeren r2-Wertes empfehlen Letztere schließlich die T2 gewichtete Auswertung von Studien, die MNP’s als Kontrastmittel einsetzen. Fan et al. (2013) nutzten ebenfalls die Spin-Spin Relaxation (Querrelaxationszeit T2) zur Auswertung der Anreicherung von Partikeln in Gehirnen von Ratten. Nicht nur im MRT lassen sich magnetische Nanopartikel als Kontrastmittel verwenden, sondern auch im Ultraschall (LALATONNE et al. 2010; OWEN et al. 2012). Zu diesem Zwecke werden MNP’s in Mikrobläschen gehüllt, da sie auf diese Weise den Kontrast noch verstärken. Die so präparierten Partikel können somit als sogenanntes duales Kontrastmittel genutzt werden (für MRT und Ultraschall) (OWEN et al. 2012). Ein weiterer sehr interessanter Anwendungsbereich von magnetischen Nanopartikeln beschäftigt sich mit der lentiviralen Transduktion, bei der mit Hilfe der MNP’s Gene

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transportiert werden sollen (HOFMANN et al. 2009; WENZEL et al. 2012). Wenzel et al. (2012) und Hofmann et al. (2009) übertrugen zunächst in vitro ein Fluoreszensgen auf humane Nabelvenenendothelzellen. Dafür nutzten sie ein externes magnetisches Feld und magnetische Nanopartikel, an die ein lentiviraler Vektor gekoppelt war.

Anschließend injizierten sie die transduzierten und gleichzeitig MNP‘s enthaltenden Zellen in die Aorta von Mäusen und wiesen die verstärkte Fluoreszens von Gewebearealen nach, die sich während des Experiments nah an einem extern an den Mäusen positionierten Magneten befanden. Diese Technik könnte somit zum verbesserten Zelltargeting in der regenerativen Gefäßmedizin und zum Beispiel zur Minimierung des Auftretens von ventrikulären Arrhytmien beitragen.

Abgesehen von den magnetischen Eisenoxidnanopartikeln gibt es noch andere Formen. Goldnanopartikel stellen eine Modifikation im Ausgangsmaterial für feste Nanopartikel dar. Sie dienten einer Studie, in der herausgefunden wurde, dass Nanopartikel der Größe 10-30nm die plazentäre Barriere innerhalb von 6h nicht überwinden (MYLLYNEN et al. 2008). Lu et al. (2010) dagegen fertigten NP mit Silica als Hauptbestandteil und wiesen in Zusammenhang mit der Kopplung des Chemotherapeutikums Captothecin eine gute Biokompatibilität in Mäusen mit xenotransplantierten humanen Brustkrebszellen nach. Da bestimmte Krankheiten einer hochfrequenten Medikamentenapplikation bedürfen, beschäftigten sich Pridgen et al. (2013) mit der oralen Aufnahmefähigkeit von Nanopartikeln, die ausschließlich aus Polymeren bestanden. Sie konnten zeigen, dass eine erfolgreiche Kopplung von Insulin und eine Aufnahme der Partikel über die Darmschleimhaut mit Hilfe der Bindung der Fc-Komponente von Immunglobulin G möglich war. Schließlich stellen

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Nanopartikel, die aus Proteinen bestehen, eines der aktuellsten Forschungsthemen auf diesem Gebiet dar. Hierbei handelt es sich um Strukturen, die aus verschiedenen Proteinuntereinheiten bestehen und die ideale Größe (10-100nm) aufweisen, um von anderen Zellen über Endozytose aufgenommen zu werden (MOLINO u. WANG 2014). Sie besitzen ein hohes biokompatibles und –degradables Potenzial und können bereits erfolgreich an Medikamente wie Doxorubicin gekoppelt werden (MOLINO u. WANG 2014).