Zellbiologie: Nanomaschinen manipulieren Zellen

Auf dem Weg zur Medizin nach Art der phantastischen Reise: US-Forscher haben Nanomaschinen entwickelt, die eine Zelle von innen heraus beeinflussen können. So soll es möglich sein, Krebs gezielt zu bekämpfen.

Artikel veröffentlicht am 11. Februar 2014, 12:01 Uhr, Werner Pluta

Hela-Zelle mit Nanomaschine: Ultraschallantrieb und Magnetlenkung (Bild: Mallouk Lab/Penn State University)

Wird Krebs in Zukunft mit Mikromaschinen bekämpft? US-Wissenschaftler haben winzige Motoren entwickelt, die in Zellen eingesetzt und von außen gesteuert werden. Sie beschreiben ihre Entwicklung in der internationalen Ausgabe der Fachzeitschrift Angewandte Chemie:

Eine solche Maschine ist raketenförmig und besteht aus Metall, etwa aus Gold. Angetrieben wird der Nanomotor mit Ultraschallwellen. Die Impulse steuern, ob er sich dreht oder ob er sich vorwärtsbewegt. Gelenkt werden die Maschinen mit Hilfe von Magnetfeldern.

Zellwand durchstoßen

Die Forscher von der Universität des US-Bundesstaates Pennsylvania (Penn State) um Thomas Mallouk haben ihre Nanomotoren an bestimmten Krebszellen, sogenannten Hela-Zellen, getestet. Die Zellen nehmen die Nanomaschinen auf, die sich dann in deren Innerem angetrieben von Ultraschallwellen bewegen. Bei geringer Intensität haben sie wenig Effekt. Wird die Intensität der Ultraschallwellen jedoch erhöht, bewegen sich die Nanomaschinen auch stärker und kollidieren mit den Organellen. Sie können dann sogar die Zellwand durchstoßen und die Zelle zerstören.

Selbst wenn sich mehrere dieser Motoren in einer Zelle befinden, können diese sich autonom, also unabhängig voneinander bewegen. Diese Fähigkeit sei wichtig für künftige Anwendungen, erklärt Mallouk. "Wenn man möchte, dass diese Motoren beispielsweise Krebszellen aufspüren und zerstören, ist es besser, wenn sie sich unabhängig bewegen. Man will nicht, dass sie alle in die gleiche Richtung gehen."

Unbekannte mechanische Reaktionen

"Wenn diese Nanomotoren umherwandern und gegen die Strukturen in der Zelle stoßen, zeigen die lebenden Zellen bisher noch unbekannte mechanische Reaktionen", berichtet Mallouk. Diese synthetischen Nanomotoren ermöglichten es, die Biologie von Zellen auf eine ganze neue Art und Weise zu untersuchen. "Wir können Nanomotoren vielleicht dazu nutzen, um Krebs und andere Krankheiten zu behandeln, indem wir die Zellen von innen heraus manipulieren. Die Nanomotoren könnten intrazelluläre Operationen durchführen und Medikamente nichtinvasiv in lebendes Gewebe liefern."

Es sei zum ersten Mal gelungen, einen Nanomotor in eine Zelle einzubringen und sie von außen per Ultraschall und Magnetkraft zu steuern. Mallouk gehörte der Forschungsgruppe an der Penn State an, die vor zehn Jahren erste Nanomotoren entwickelt hat. Diese wurden mit giftigen Chemikalien angetrieben und haben sich nicht in Zellflüssigkeit bewegt. Es sei deshalb nicht möglich gewesen, sie in menschlichem Gewebe zu testen, sagt Mallouk. Das sei erst möglich gewesen, als er zusammen mit dem französischen Physiker Mauricio Hoyos herausgefunden habe, dass die Nanomotoren mit Ultraschall gesteuert werden können.

Medizin à la Die phantastische Reise

Die Fähigkeit der Nanomaschinen, lebende Zellen zu beeinflussen, könnte medizinische Fortschritte bringen, sagt Mallouk: "Eine Traumanwendung von uns ist eine Medizin à la Die phantastische Reise, bei der Nanomotoren durch den Körper fahren, miteinander kommunizieren und diverse Diagnosen und Behandlungen durchführen."

In dem US-Science-Fiction-Film Die phantastische Reise aus dem Jahr 1966 wird ein U-Boot mitsamt seiner Besatzung geschrumpft und in den Blutkreislauf eines Wissenschaftlers injiziert. Das U-Boot namens Proteus fährt durch den Körper des Wissenschaftlers in dessen Gehirn, wo die Besatzung ein Blutgerinnsel entfernt.