Wirksamere Strahlentherapie dank Nanopartikeln
Obwohl das Risiko für Normalgewebekomplikationen dank technischer Fortschritte bei der Strahlentherapie reduziert werden konnte, bleibt die Behandlung von strahlentherapieresistenten Tumoren eine Herausforderung. Im letzten Jahrzehnt konnte die Wissenschaft dank der Nutzung von Nanopartikeln eine bessere Wirksamkeit der Therapie vermelden. Abgesehen von der physikalischen Auswirkung (Dosisverstärkung) könnten Nanopartikel mit wesentlichen biologischen Makromolekülen interagieren und biochemische Veränderungen in den Zellen sowie eine bessere Wirksamkeit der Bestrahlung hervorrufen. Das Wissen über die zugrunde liegenden Mechanismen ist jedoch noch immer begrenzt.
Einblick in die biochemische Wirkung von Nanopartikeln
Mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen wollte das Projekt NANOCANCER die Mechanismen untersuchen, durch die Nanopartikel die Krebszellen für die Strahlentherapie sensibilisieren. Nanopartikel sind 1 bis 100 nm groß und sammeln sich mehr im Tumor als in anderen Teilen des Körpers an. Das geschieht entweder durch zielgerichtete Anreicherung oder durch ein Phänomen, das als erhöhte Permeabilität und Retention bekannt ist. Im Vergleich zu konventionellen Strahlensensibilisatoren können sie besser in die Krebszellen eindringen und haben für normale Zellen weniger Nebenwirkungen. Zur Aufklärung der durch Nanopartikel verursachten Zellschäden auf molekularer Ebene setzten die Partner die auf Synchrotronstrahlung basierende Fourier-Transformations-Infrarot-Mikrospektroskopie (SR-FTIRM) als bioanalytisches Werkzeug ein. Dieses Schwingungsverfahren ermöglicht eine Identifizierung der chemischen Zusammensetzung und Struktur biologischer Moleküle durch Infrarotlicht. Die Forschenden bestrahlten Gliomzellen, die Gadolinium- und Gold-Nanopartikel enthielten, mit verschiedenen medizinisch angewendeten Ionenstrahlen wie Photonen, Protonen und schwereren Ionen. Anschließend untersuchten sie die Unterschiede in der zellulären Zusammensetzung anhand einer Hauptkomponentenanalyse. „Wir wollten den biochemischen Einfluss von nanopartikelbasierten Strahlentherapiekonzepten auf die Biomoleküle der Hauptzellen wie DNA, Lipide und Proteine identifizieren“, so die Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiatin Imma Martínez-Rovira. Das Forschungsteam entdeckte, dass Nanopartikel Modifikationen herbeiführen, die unerlässlich für die korrekte Struktur der zellulären Proteine sind. Gleichzeitig wirkten sie sich auf die Struktur und Kettenlänge verschiedener Lipide aus. In Bezug auf die DNA verursachten Nanopartikel zahlreiche strukturelle Änderungen wie auch Konformationsänderungen und führten zu verstärkten DNA-Schäden. Insgesamt riefen diese durch Nanopartikel verursachten molekularen Veränderungen eine vermehrte Produktion reaktiver Sauerstoffspezies sowie eine gesteigerte Antwort auf DNA-Schäden hervor. Die Sensibilisierungseffekte der Strahlentherapie und Nanopartikel waren ferner typspezifisch und abhängig vom Zelltyp und der Bestrahlungskonfiguration.
Relevanz von NANOCANCER und Zukunftsperspektiven
Die Erkenntnisse aus NANOCANCER hinsichtlich der durch Nanopartikel verursachten biochemischen Veränderungen gaben Aufschluss über einen weitgehend ungeklärten Prozess. Außerdem legten sie den Grundstein für eine Verbesserung des therapeutischen Index der Strahlentherapie und eine vermehrte Abtötung von Tumorzellen. Besonders interessant ist dies bei der Behandlung von Erkrankungen mit einer schlechten Prognose wie etwa strahlenresistentem Krebs. „Die Überwachung nanopartikelbasierter biochemischer Veränderungen ist eine komplexe Aufgabe, bei der zahlreiche Prozesse untersucht werden müssen. Somit ist eine weitere experimentelle Untersuchung gesichert“, betont Projektkoordinator Ibraheem Yousef. Nichtsdestotrotz konnte das Projekt die Bedeutung des SR-FTIRM-Verfahrens zur Beurteilung der Zellantworten auf innovative Strahlentherapiekonzepte hervorheben. Insgesamt konnten verschiedene Gebiete dank des interdisziplinären Ansatzes von NANOCANCER, an dem sich sowohl wissenschaftliche als auch klinische Partner beteiligten, neue Erkenntnisse gewinnen. Nur dadurch lassen sich unser Wissen über Krebs erweitern sowie innovative Konzepte zur Behandlung von und zum Umgang mit der Krankheit entwickeln. In Anbetracht der vielen Menschen, die sich einer Strahlentherapie unterziehen müssen, und der damit verbundenen sozioökonomischen Kosten ist eine verbesserte Krebsbehandlung längst überfällig.
Schlüsselbegriffe
NANOCANCER, Strahlentherapie, Nanopartikel, Gliom, DNA, Lipide, Proteine
