INNOVATIVE DIAGNOSTIK
INNOVATIVE DIAGNOSTIK UND THERAPIE Einsatz von Nanotechnologien in der Kardiologie Felix Wiedmann und Constanze Schmidt, Heidelberg © Science Photo Library/Ella Maru Studio Unter Nanotechnologie in der Medizin wird neben der Entwicklung von Nanosensoren und -robotern vor allem die Anwendung von Nanopartikeln zusammengefasst. Um Prävention, Diagnostik und Therapien weiter zu verbessern, werden bestimmte biologische Eigenschaften solcher 1–100 nm großen Partikel beispielsweise zur Medikamentenapplikation genutzt. Darüber hinaus können Nanopartikel mit Substanzen beladen werden, die sich als Kontrastmittel in der Bildgebung eignen. Auch in der interventionellen Kardiologie finden Nanomaterialien bereits Anwendung. Mit ihren vielfältigen Einsatzmöglichkeiten haben die neuen Technologien das Potenzial, Diagnostik und Therapie in vielen Disziplinen und auch innerhalb der kardiovaskulären Medizin zu revolutionieren. connexiplus Kardiovaskuläre Erkrankungen zählen weltweit zu den häufigsten Mortalitätskausalitäten mit steigender Tendenz. Im Jahr 2015 wurden 17,7 Millionen Todesopfer in Folge kardiovaskulärer Erkrankungen registriert. Es wird erwartet, dass diese Zahl bis zum Jahr 2030 auf bis zu 23,6 Millionen steigt. In den vergangenen Jahrzehnten konnten viele neue Behandlungsstrategien und Präventionsmaßnahmen für kardiovaskuläre Erkrankungen etabliert werden. Dennoch gibt es einen großen Bedarf an verbesserten Präventions-, Diagnostikund Therapiemaßnahmen, um eine Reduktion der durch kardiovaskuläre Erkrankungen verursachten Gesamtmortalität zu erreichen. Ein vielversprechender Fokus liegt hierbei auf neuen Technologien, die ein neues Spektrum an diagnostischen 52
und therapeutischen Angriffspunkten umfassen. Eine dieser innovativen Technologien ist die Nanomedizin. Größenordnung der Nanotechnologie Nanomedizin in vielen Disziplinen Kohlenstoffnanoröhrchen 1–50 nm Durchmesser Gold Nanopartikel 10–100 nm 10 -10 m Wassermolekül ca. 0,1 nm 10 -9 m (1 nm) DNA Doppelhelix Ø 2 nm 10 -8 m 10 -7 m 10 -6 m (1 µm) Virus ca. 0,1 µm Der Bereich der Nanomedizin umfasst die Diagnose, Behandlung und Vorbeugung von Krankheiten durch den Einsatz von Nanotechnologie [1]. Neben der Entwicklung mikroskopisch kleiner Nanosensoren und -roboter wird hierunter hauptsächlich die diagnostische oder therapeutische Anwendung von Nanopartikeln zusammengefasst. 2011 definierte das britische Standards Institut Nanopartikel als mikroskopische Partikel mit höchstens einer Dimension im Größenbereich von 1–100 nm. Da in diesem Größenbereich (Abbildung 1) die Oberflächeneigenschaften von Materialien gegenüber ihren Volumeneigenschaften eine immer größere Rolle spielen, werden wichtige biologische Eigenschaften wie zum Beispiel die Verteilung im Körper oder die Aufnahme durch bestimmte Zelltypen maßgeblich durch Größe und Beschaffenheit der Partikel und nicht nur durch ihre Zusammensetzung definiert. In der Nanomedizin wird dies genutzt, um Medikamente spezifisch zu ihrem Wirkungsort zu dirigieren bzw. ihre Halbwertszeit zu beeinflussen, um dadurch die Medikamentenwirkung zu potenzieren und das Nebenwirkungsprofil zu optimieren. Analog hierzu können Nanopartikel, die sich aufgrund ihrer Beschaffenheit in einem bestimmten Gewebetyp anreichern, mit physikalischen Eigenschaften ausgestattet werden, die einen Nachweis mittels Computertomographie oder Magnetresonanztherapie ermöglichen. Die vergangenen zwei Jahrzehnte haben bereits eine Vielzahl nanotechnologischer Therapieansätze erbracht [2]. Als Vorreiterdisziplin der Nanomedizin gilt die Onkologie. Hier werden Nanopartikel zur tumorspezifischen Anreicherung von Chemotherapeutika eingesetzt. Nach der Zulassung von Doxorubicin in Form von PEGylierten Nanoliposomen (Doxil) im Jahr 1995 hat die Nanomedizin mittlerweile auch Einzug in Fachbereiche wie Nephrologie, Psychiatrie und Infektiologie gefunden, wo beispielsweise die liposomale Formulierung von Amphotericin B (Ambisome) weit verbreitet ist. Zielgerichtete Medikamentenapplikation Erythrozyt ca. 7 µm 10 -5 m 10 -4 m 10 -3 m (1 mm) Herzmuskelzelle ca. 100 µm lang Die Pharmakotherapie stellt eine wichtige Grundsäule der Therapie kardiovaskulärer Erkrankungen dar. Komplexe Medikamenteninteraktionen, eingeschränkte Bioverfügbarkeit und die systemische Exposition potenziell toxischer Substanzen wie beispielsweise bei der Lysetherapie oder aber beim Einsatz von Statinen sind häufiger Grund für Medikamentennebenwirkungen oder einen Therapieabbruch. Durch einen zielgerichteten Transport des Wirkstoffes zum eigentlichen Wirkungsort im Körper und eine gezielte Steuerung der Halbwertszeit könnten diese Limitationen überwunden werden, sodass der Einsatz von Nanopartikeln zur spezifisch kardialen oder vaskulären Applikation von Medi 10 -2 m (1 cm) Ameise 2-14 mm 10 -1 m Orange ca. 10 cm Abbildung 1: Visualisierung der Größenverhältnisse in der Nanotechnologie connexiplus 53
