Krebszellen sichtbar machen

Wäre es nicht schön, wenn man irgendwann Tumore und ihre Metastasen genauso einfach detektieren könnte wie Knochenbrüche im Röntgenbild? Ein Team von Wissenschaftlern um S. Bhatia vom MIT in Boston (USA) arbeitet bereits daran. Sie haben einen Weg gefunden, die Anwesenheit einer tumorspezifischen Protease mithilfe von Fe₃O₄ -Nanopartikeln und der Kernspin-Resonanz-Tomographie (MRI -Magnetic Resonance Imaging) sichtbar zu machen.

Organisches Gewebe besteht zum großen Teil aus Wasser und Fett, Substanzen die viele Wasserstoffatome enthalten. Deren Kerne (Protonen) besitzen einen Eigendrehimpuls und damit auch ein magnetisches Moment. Im magnetischen Feld richten sie sich aus und rotieren mit einer bestimmten Frequenz, die proportional zur Stärke des äußeren Feldes ist. Werden nun elektromagnetische Wellen mit der gleichen Frequenz eingestrahlt (Resonanz), so stört dies die Ausrichtung der Protonen zum äußeren Magnetfeld. Nach Abschalten des Störfeldes kehren die Protonen wieder in ihre Ausgangslage zurück und senden dabei elektromagnetische Wellen aus. Diese können mit einem Detektor aufgefangen werden und geben Auskunft über die Protonendichte und die chemische Umgebung der untersuchten Region. Mit den gewonnen Daten lässt sich ein dreidimensionales Bild berechnen, das die unterschiedlichen Körpergewebe darstellt.

Wie kann man damit entartete Zellen in möglichst guter Auflösung und mit hoher Sicherheit detektieren? Die Bostoner Wissenschaftler nutzten dafür Fe₃O₄-Nanopartikel, deren magnetische Eigenschaften sich ändern, wenn sie sich zu größeren Komplexen zusammenlagern.

Als "Klebstoff" für die Fe₃O₄ -Partikel dienten zwei Biomoleküle, die mit hoher Affinität aneinander binden: Biotin und Neutravidin. Eine Hälfte der Nanopartikel war mit Biotin beschichtet, die andere mit Neutravidin. An diese Biomoleküle waren lange Ketten aus Polyethylen (PEG) gekoppelt, die verhinderten, dass die Teilchen miteinander in Verbindung kommen. Den Anker für die PEG-Ketten bildete ein Peptid, das eine Spaltstelle für ein tumorspezifisches Enzym, die Matrix-Metalloproteinase-2 (MMP-2) besaß.

MMP-2 befindet sich hauptsächlich in der direkten Umgebung von wachsenden Tumorzellen, das heißt, nur dort werden die PEG-Ketten von den Fe₃O₄-Nanopartikeln abgespalten, der Biotin-Neutravidin-Klebstoff kann seine Wirkung entfalten, die Fe₃O₄-Teilchen aggregieren und der Tumor wird im MRI-Bild sichtbar.

Angewandte Chemie 2006, 118, 3233-3237

Quelle: Angewandte Chemie