Forschung zur Wirkung von Nanopartikeln in der Niere

Nanopartikel gelten als Hoffnungsträger der modernen Medizin: Sie werden in der Krebstherapie eingesetzt, als Kontrastmittel im MRT und in der Impfstoffentwicklung. Doch wie verhalten sich die winzigen Teilchen eigentlich im menschlichen Körper - und welche Risiken bergen sie?

Dieser Frage geht ein Forschungsteam der Hochschule Darmstadt (h_da) in einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt auf den Grund. Ziel ist es, Nanopartikel noch wirksamer und verträglicher zu machen.

Beteiligt sind Nanotechnologie-Expertin Prof. Dr. Christina Graf, Zellbiologe Prof. Dr. Michael Becker und Prof. Dr. Frank Schael, Experte für Mikroverfahrenstechnik. Gemeinsam untersuchen sie, wie Form, Größe und Oberflächenstruktur von Nanopartikeln die Wirkung auf menschliches Gewebe beeinflussen.

Im Zentrum des Projekts stehen speziell entwickelte Organ-on-a-Chip-Systeme: zentimeterkleine Kunststoffchips, auf denen menschliches Nierengewebe realitätsnah nachgebildet wird. Dafür kultivieren die Forschenden verschiedene Zelltypen zu winzigen, dreidimensionalen Modellnieren. Über feine Kanäle werden dann Flüssigkeiten mit Nanopartikeln in die Chips geleitet und durchströmen die Mini-Nieren - ganz ähnlich wie im menschlichen Körper.

"Nanopartikel sind zwischen einem und hundert Nanometer groß", erklärt Professorin Christina Graf vom Fachbereich Chemie- und Biotechnologie der h_da. "Ein Nanometer entspricht einem Milliardstel Meter." Aufgrund ihrer besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften gelten die Teilchen als vielversprechend für zahlreiche medizinische Anwendungen. So können sie beispielsweise in der Krebstherapie Wirkstoffe präzise in Tumore einschleusen oder Tumorzellen gezielt durch Wärme zerstören.

Bevor neue Nanopartikel aber in der Medizin zum Einsatz kommen können, müssen mögliche Nebenwirkungen besser verstanden werden. Die Niere steht dabei im Fokus, weil sie zahlreiche Stoffe aus dem Körper filtert und somit empfindlich auf toxische Verbindungen reagiert. "Wir wollen verstehen, welche Eigenschaften Nanopartikel besonders verträglich machen - und welche Eigenschaften Zellen schädigen können", sagt Professor Michael Becker. Untersucht werden deshalb Partikel in unterschiedlichsten Formen und Materialien - aus Gold oder Eisendioxid, in Kugel-, Würfel- oder Sternenform.

Mithilfe hochauflösender Fluoreszenzmikroskopie analysiert das h_da-Team, wie stark das Nierengewebe auf unterschiedliche Partikeltypen reagiert. Die Nanopartikel werden direkt in den Laboren der h_da hergestellt. Auch die Entwicklung der Chips erfolgt an der Hochschule selbst. Professor Frank Schael produziert die Systeme mithilfe von 3D-Druckverfahren. Er beschreibt einen zentralen Vorteil des Setups: "Wir können unsere Experimente ohne Tierversuche oder Untersuchungen an menschlichen Probanden durchführen."

Langfristig sollen die Ergebnisse dazu beitragen, medizinische Anwendungen sicherer und präziser zu machen. "Im Idealfall können wir künftig genauer vorhersagen, welche Eigenschaften Nanopartikel haben müssen, um ihre gewünschte Wirkung zu entfalten und gleichzeitig Nebenwirkungen deutlich zu reduzieren", sagt Becker.

Die Forschung könnte zudem über die Medizin hinaus relevant sein. Denn Nanopartikel begegnen uns längst überall - in Abgasen, Feinstaub, Lebensmitten oder Kosmetikprodukten. Das Projekt soll helfen, besser zu verstehen, wann die winzigen Teilchen Helfer sind und wann Problemfälle.

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Quelle: Hochschule Darmstadt