Mit "Nanofähren" in die Zellen
EU-finanzierten Forschern in Deutschland ist es gelungen, einzelne Nanopartikel auf ihrem Weg zu den Zielzellen zu verfolgen. Dazu verwendeten sie eine hochsensible mikroskopische Echtzeit-Technik mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. Ihre Ergebnisse, über die im Journal of Controlled Release berichtet wurde, sind aus dem Projekt MAGSELECTOFECTION ("Combined isolation and stable non-viral transfection of hematopoietic cells: a novel platform technology for ex vivo hematopoietic stem cell gene therapy") hervorgegangen. MAGSELECTOFECTION wurde mit 2,8 Millionen EUR unter dem Themenbereich "Biowissenschaften, Genomik und Biotechnologie im Dienste der Wissenschaft" des Sechsten Rahmenprogramms (RP6) finanziert und befasste sich mit der Entwicklung neuartiger Gentransfertechnologien. Man hofft, mit derartigen Technologien die mit Virusvektoren zusammenhängenden Probleme zu umgehen und dadurch zum Fortschritt in der Gesundheitsversorgung beizutragen. Außerdem soll sich dadurch die Wettbewerbsfähigkeit des europäischen Biotechnologiesektors verbessern. In der Vergangenheit wurden Viren verwendet, um genetisches Material in Zellen einzuschleusen. Doch diese Methode hat oft unerwünschte Nebenwirkungen. Seit den 1960er Jahren wurde jedoch ein wesentlicher Erfolg bei der Entwicklung nicht-viraler Methoden zur Einschleusung genetischen Materials in Zellen erzielt. Für die Autoren der vorliegenden Studie haben sich nicht-virale Gentransfersysteme "bereits zur Konkurrenz der viralen Systeme in Forschungsanwendungen und klinischen Studien entwickelt". Allerdings müssen Spezifizität und Effizienz dieser Systeme noch weiter verbessert werden. Nanopartikel scheinen als Transporter, sogenannte Nanofähren, ein vielversprechendes Potenzial zu haben. Sie könnten Wirkstoffe nebenwirkungsfrei direkt in das Zentrum der Krankheit transportieren. "Sogar Gene ließen sich auf diesem Weg transportieren", erklärte Dr. Christian Plank von der Technischen Universität München (TUM) in Deutschland. "Damit könnten in der von Rückschlägen geplagten Gentherapie weitere Durchbrüche erzielt werden." Für den Wissenschaftler besteht das größte Problem im Mangel an funktionellen Transportern. Außerdem stehen die Forscher vor der Frage, wie man die Teilchen zum Krankheitsherd leiten kann. Bisher wurden Magnetfelder eingesetzt, um die Teilchen zu Krankheitsherden zu führen, wo sie die Tumorzellen direkt angreifen sollen. Doch bis jetzt war es noch nicht möglich, die Teilchen auf ihrem Weg zum Herd zu beobachten. Den exakten Pfad zu kennen, den diese Teilchen nehmen, sowie auch die Wirkung ihres Transports ist für die Bestimmung der richtigen Dosierung wesentlich. Und das ist wiederum eine Voraussetzung, um diese Therapie anerkennen zu lassen. In dieser Studie befassten sich die Forscher mit der Zelldynamik von magnetisch geleiteten Nanoteilchen in Echtzeit unter Verwendung der hochempfindlichen Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie, die sie bereits in einer vorangegangenen Studie eingesetzt hatten. Dabei werden einzelne Teilchen mit einem Farbstoff markiert, der wie eine "molekulare Lampe" den Weg der Teilchen zu den Zellen sichtbar macht. Damit ist ein wichtiger Schritt für das Verständnis der Dynamik von Nanofähren getan. Denn um einen Ansatz zu testen, musste man in der Vergangenheit abwarten und hoffen, dass sich der erwünschte Behandlungseffekt einstellt. "Wir haben auf diese Weise magnetische Lipoplex-Nanopartikel verfolgt und ihren Transport in Form von Filmen aufgezeichnet", berichtet Anna Sauer von der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München in Deutschland. "Wir konnten die Partikel auf ihrem Weg in die Zelle mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung in Echtzeit beobachten." Das Team bestimmte drei separate Phasen dieses Prozesses: wie die Teilchen die Zellmembran erreichen, wie sie sich dort niederlassen und wie sie schließlich in die Zellen eindringen. Die Forscher fanden heraus, dass die Teilchen dabei in Vesikel (kleine, mit Flüssigkeit gefüllte Bläschen) eingeschlossen sind. In der Zelle bewegen sie sich willkürlich, bis sie von einem bestimmten Protein aufgegriffen und schnell in Richtung Zellkern transportiert werden. "Unser neues Verfahren hat auch Engpässe im Transport der Nanofähren offengelegt", kommentiert Christoph Bräuchle von der LMU München. "So konnten wir etwa sehen, dass das Magnetfeld die Partikel nur außerhalb der Zellen dirigieren kann. Den Eintritt in die Zellen erleichtert es aber wider Erwarten nicht. Dank der neuen Einsichten können die bestehenden Nanofähren in Zukunft entsprechend optimiert und auch neue Systeme entwickelt werden."
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