Nanopartikel aus Bioglas für die Knochenheilung
Julian Jones ist spezialisiert auf bioaktives Glas, ein Material, das die Knochenregeneration stimulieren kann. Als Professor für Biomaterialien am Imperial College London analysiert Jones in seinen Forschungen vor allem die Eigenschaften dieses Materials. Im Jahr 2015 kam es dann zu einer Begegnung, die seiner Forschung einen wesentlichen Schub verlieh: Alessandra Pinna, die an den antioxidativen Eigenschaften winziger Ceroxidpartikel forschte, so genannten Nanoceria, arbeitete fortan mit ihm und seinem Team zusammen. Prof. Jones beobachtete zusammen mit der Bioimaging-Spezialistin Alexandra Porter das Verhalten bioaktiver Nanopartikel in Zellen. Gemeinsam erkannten die drei Wissenschaftler das enorme Potenzial, das sich bietet, wenn beide Nanopartikel zur Behandlung von Osteoporose kombiniert werden, und riefen ihr eigenes Projekt INTO (Inorganic therapeutic nanoparticles for osteoporosis) ins Leben. „Damals entwickelten wir gerade poröse Bioglasimplantate, die Strontiumionen freisetzen, um große Löcher im Knochen zu schließen. Meist haben Osteoporosepatienten jedoch keine solchen Löcher, sondern wegen der niedrigen Knochendichte ein hohes Frakturrisiko, was eine injizierbare oder orale Therapie erforderlich macht“, erinnert sich Prof. Jones. „Vorhandene Nanopartikel sind bereits von allen Zellen in das Zytoplasma aufgenommen worden. Sie werden innerhalb der Zellen biologisch abgebaut und setzten Strontiumionen frei, die die knochenbildenden Zellen (Osteoblasten) stimulieren und knochenabbauende Zellen (Osteoklasten) hemmen. Gibt man dem Gemisch Nanoceria zu, beseitigt dies jetzt auch freie Radikale, und man kann dem Knochenschwund vorbeugen.“ Die Erzeugung umfasst im Wesentlichen zwei Phasen: die Synthese biologisch abbaubarer mesoporöser Kieselsäure-Nanopartikel aus Sol-Gel und die Erzeugung von Nanoceria durch Ko-Präzipitation und Mikrowellenbehandlung. Anschließend werden sie in das Kieselsäure-Netz eingeschleust. Im Verlauf des Projekts wandte das Team die neuen Systeme bei verschiedenen Arten von Knochenzellen und Knochenmarkstammzellen an. Den Ergebnissen zufolge können die INTO-Partikel sowohl Osteogenese fördern als auch freie Radikale (reaktive Sauerstoffspezies) hemmen. Weiterhin wurde eine Schwellendosis bestimmt, unter der die antioxidative und osteogene Aktivität der Nanopartikel den Zellen zugute kommt, ohne sie zu schädigen. Die resultierende Therapie ist eine Kombination, die sich zur Behandlung von Osteoporose eignet. Die Partikel können osteoporotische Knochen stärken, indem sie auf natürliche Weise deren Regeneration stimulieren, und sie können das Risiko osteoporosebedingter Frakturen senken. All dies wird die Mobilität und Lebensqualität für Millionen Patienten verbessern und, wie Professor Jones hofft, auch zur Behandlung anderer Krankheiten beitragen. „Unsere Ergebnisse sind vielversprechend, wenn es um das Wachstum von Nervenzellen geht (Neuriten-Auswuchs). Könnten also unsere winzigen Partikel die Blut-Hirn-Schranke überwinden, eignen sie sich möglicherweise sogar zur Behandlung von Parkinson. Wir entwickeln auch Nanopartikel, die Krebszellen abtöten könnten, ohne gesunde Zellen zu schädigen. Die Nanoceria arbeiten mit unseren Nanopartikeln zusammen, um das Dosisfenster bei der Wirkung unserer Nanopartikel zu erweitern“, schwärmt Prof. Jones. Im nächsten Schritt sind vorklinische Studien geplant. Prof. Jones und sein Team haben bereits weitere Fördermittel beantragt, um das Potenzial ihrer Nanopartikel zur Behandlung von Parkinson zu erforschen. Auch wird derzeit ein Vorschlag für ein größeres Gemeinschaftsvorhaben zur Krebsbehandlung und Bio-Imaging (Kombination aus mesoporösen und Goldpartikeln zur Früherkennung von Krebs) eingereicht, um die nächste Phase zu erreichen, bei der die Technik im klinischen Alltag eingesetzt werden soll. Vor allem soll geklärt werden, ob gezieltes Ansteuern spezifischer Krebszellen die Abgabe der Nanopartikel verbessern kann.
Schlüsselbegriffe
INTO, Osteoporose, Bioglas, Nanoceria, Nanotechnologie, Knochen, Implantat
