Nanostäbchen mit Ultraschallantrieb

Sie könnten die Medizin verändern: Nanoteilchen, die aus nur wenigen bis einigen tausend Atomen bestehen, sollen künftig gezielt Krebszellen bekämpfen und Arzneistoffe dorthin bringen, wo sie im Körper gebraucht werden. Forscher um Wei Wang von der Pennsylvania State University in den USA haben nun erstmals Nanoteilchen in lebende menschliche Krebszellen eingeschleust. Mittels Ultraschall und magnetischer Steuerung gelang es ihnen, die „Nanomotoren“ innerhalb der Zellen fernzulenken und ihre Wirkung zu analysieren. Die neuen Erkenntnisse wurden in der internationalen Ausgabe der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ veröffentlicht.

Eine große, kreisförmige Zelle in der Mitte, die von einigen kleineren Zellen umgeben ist. Die große Zelle schließt in ihrem Inneren mehrere goldfarbene Stäbchen ein, deren Bewegungen und Drehungen durch Pfeile und Linien markiert sind. Unten links die Vergrößerung eines Nanostäbchens, das an einem Ende aus Gold, am anderen aus Ruthenium besteht. Seine Form erinnert an eine Nadel.
HeLa-Zelle mit Nanomotoren

Für ihre Experimente nutzten die Wissenschaftler sogenannte HeLa-Zellen. Dabei handelt es sich um menschliche Krebszellen aus dem Gebärmutterhals einer Patientin, die zu Forschungszwecken kultiviert wurden. Wang und seine Kollegen spritzten einer solchen Krebszelle winzige Nanostäbchen aus Gold und Ruthenium ein. Dann brachten sie die metallischen Nanostäbchen mithilfe von Ultraschallwellen in Bewegung, sodass sich die Teilchen im Zellgewebe umherbewegten und um sich selbst drehten. Durch eine zusätzliche Magnetsteuerung konnten die Forscher die Nanostäbchen in die gewünschte Richtung lenken. War die Ultraschallleistung hoch genug eingestellt, verhielten sich die Nanostäbchen wie Miniatur-Rührbesen, die den Zellinhalt zu einer gleichförmigen Masse vermischten. Bei ihrer Fortbewegung prallten die Nanomotoren zudem auf die Organellen – das sind Zellstrukturen, die bestimmte Funktionen erfüllen – oder durchstießen die Zellmembran.

Zuvor wurden solche Nanoteilchen nur „in vitro“ (lateinisch für „im Glas“) untersucht, also außerhalb lebender Zellen und mit einem chemischen Antrieb, anstatt wie jetzt durch Magnetfelder und Ultraschallwellen. „Unsere erste Generation von Nanomotoren benötigte giftige Treibstoffe und ließ sich nicht in biologischen Flüssigkeiten bewegen. Daher konnten wir sie nicht in menschlichen Zellen untersuchen“, sagt Koautor Thomas Mallouk von der Pennsylvania State University. Der Ultraschallantrieb hingegen ist frei von Chemikalien. Mit seiner Kraft können sich die Nanomotoren sogar unabhängig voneinander bewegen. Eine für medizinische Anwendungen wichtige Fähigkeit: „Autonome Bewegungen können dafür sorgen, dass Nanomotoren die sie aufnehmenden Zellen selektiv zerstören“, erklärt Mallouk . „Da möchte man nicht, dass sie sich massenhaft in die gleiche Richtung bewegen.“

Die Fähigkeit der Nanoteilchen, auf lebende Zellen einzuwirken, sei vielversprechend für die Zellbiologie und die Medizin, so die Forscher in ihrer Studie. „Während sich die Nanomotoren umherbewegen und mit Zellstrukturen zusammenstoßen, zeigen die lebenden Zellen mechanische Reaktionen, die nie jemand zuvor beobachtet hat“, sagt Mallouk. Damit könnte man solche künstlichen Nanopartikel nutzen, um Krebs und andere Krankheiten mechanisch von innen heraus zu behandeln. Das Forscherteam träumt von Nanoteilchen, die sogar miteinander kommunizieren und verschiedene Arten von Diagnosen und Therapien durchführen, während sie im Körper herumkreuzen. Was an Ideen aus Science-Fiction-Filmen erinnert, könnte bald über den Einsatz ferngesteuerter Nanoteilchen Wirklichkeit werden.