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Magnetische Nanopartikel als mögliche Therapieform bei Parkinson

Neurodegenerative Erkrankungen wie Parkinson nehmen mit alarmierender Geschwindigkeit zu und werden bis 2040 voraussichtlich die Zahl der Krebserkrankungen überschreiten. Zelltherapien gewinnen als vielversprechende Methode zur Wiederherstellung neuronaler Funktionen zunehmend an Bedeutung. Angesichts dieser Entwicklung besteht ein entsprechender Bedarf, diese Zellen in situ zu kontrollieren.

Gesundheit

Die Behandlung von Parkinson stellt eine der größten Herausforderungen der heutigen Medizin dar – eine, auf die es noch keine zufriedenstellende Antwort gibt. Zellersatztherapien – d. h. die Transplantation von Frischzellen in das Gehirn – haben bereits vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Doch da ihre Gewinnung aus Föten ethische Bedenken auslöst, kommen sie nur eingeschränkt zum Einsatz. Alternative Ansätze wie die In-vitro-Neuprogrammierung machen die Erzeugung von autologen Neuronen möglich. In beiden Fällen besteht die nächste Herausforderung darin, das Zellverhalten nach der Transplantation in vivo zu kontrollieren.

Magnetische Nanopartikel sollen das Axonwachstum in Neuronen steuern

Das EU-finanzierte Projekt MAGNEURON verfolgt das Ziel, Verbindungen zwischen verschiedenen Neuronen im Gehirn mithilfe einer Methode wiederherzustellen, die das Wachstum von neuronalen Axonen fördern und lenken kann. „Unser Konzept beruht auf dem Einsatz von magnetischen Nanopartikeln, die mit Signalproteinen funktionalisiert sind, welche in die Zellen internalisiert werden und das Axonwachstum lenken“, erklärt der Projektkoordinator Mathieu Coppey. Die Nanopartikel können aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaft mithilfe von magnetischen Vorrichtungen lokalisiert werden. Dadurch werden räumlich gerichtete Zellantworten ausgelöst. Der Gedanke dahinter ist es, diese magnetischen Nanopartikel so einzusetzen, dass sie zuerst die somatischen Patientenzellen zu Neuronen umprogrammieren und nach der Transplantation dann das Axonwachstum in geordnete Bahnen lenken. In der ersten Phase, dem sogenannten „zeitlichen Modus“, werden die Nanopartikel an die mechanoresponsiven Oberflächenrezeptoren gebunden. Anschließend wird ein externer Magnet verwendet, um eine mechanische Stimulation zu induzieren und die Differenzierung zum neuronalen Schicksal verstärkt. Beim „räumlichen Modus“ wird dann das Zellwachstum manipuliert, nachdem die magnetischen Nanopartikel internalisiert wurden („magnetogenetischer“ Ansatz) oder durch Endozytose passiv internalisiert wurden. Sie sammeln sich auf einer Seite der Zelle an und induzieren – entweder durch die Oberflächenproteine oder unmittelbar durch Kraftausübung – eine Signalaktivität, die das Wachstum der Zellen lenkt. Dieser Ansatz wurde in vitro in Zelllinien und primären Neuronen mit vielversprechenden Ergebnissen getestet.

Verbindungen im Gehirn wiederherstellen

Es besteht heute zweifellos ein Bedarf an Methoden, mit denen die Zellfunktion manipuliert werden kann. Die Optogenetik und die Modulation des Mikromilieus sind zwei vielversprechende Ansätze, die zur Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen vorgeschlagen wurden. Obwohl das Konzept von MAGNEURON noch in den Kinderschuhen steckt, hat es doch bereits neue Wege für den therapeutischen Einsatz von Magneten geöffnet – insbesondere unter dem Aspekt, dass Magnetfelder auch über größere Abstände hinweg funktionieren und das biologische Material nicht beeinträchtigen. Neurodegenerative Erkrankungen sind nicht nur durch das Absterben von Neuronen charakterisiert, sondern auch durch den Verlust der Verschaltungen im Gehirn. „Wenn wir eine Möglichkeit finden, das Wachstum eines Axons räumlich zu lenken und zugleich den neuronalen Zellkörper zu erhalten, könnten wir die elektrischen Verbindungen zwischen den Neuronen im Gehirn wiederherstellen. Man muss sich das vorstellen, als würde man eine elektrische Komponente auf einer Platine reparieren, die nicht mehr richtig funktioniert: würde man lediglich die Komponente einsetzen, ohne die Verbindungen wiederherzustellen, wäre sie nutzlos“, betont Coppey. Die Partner streben an, dieses Konzept auf der Grundlage magnetischer Nanopartikel therapeutisch nutzbar zu machen. Das MAGNEURON-Konzept kann Zellen, die mehrere Zentimeter voneinander entfernt sind, nicht aktivieren: das Gehirn stellt damit aufgrund seiner Größe eine Herausforderung dar. Die Projektpartner werden ausloten, welches Potenzial magnetische Nanopartikel zur Wiederherstellung von neuronalen Verbindungen bieten, da die Abstände dort geringer sind. Ihre Innovation könnte damit einen echten Durchbruch bedeuten. „Das Projekt wurde ursprünglich von Maxime Dahan ins Leben gerufen – einem fantastischen Wissenschaftlicher von außergewöhnlicher Kreativität und bemerkenswerter Führungsstärke, der 2018 leider von uns schied“, so Coppey, der das Projekt dem Andenken seines Kollegen widmet.

Schlüsselbegriffe

MAGNEURON, magnetische Nanopartikel, Axon, Parkinson, neurodegenerative Erkrankungen, Zelltherapien

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