Nanopartikel gelten als vielversprechender Ansatz für die Tumorbekämpfung, weil Tumorgewebe sie aufgrund eines durchlässigeren Blutgefäßsystems leichter aufnimmt als gesunde Zellen. Ein Beispiel für sie sind kleine Bläschen, die von Bakterienmembran umgeben sind und als "Outer Membrane Vesicles" (OMVs) bezeichnet werden. Welches große Potential OMVs noch für die Tumordiagnostik und -therapie haben können, hat Prof. Vasilis Ntziachristos, Direktor des Instituts für Biologische und Medizinische Bildgebung (IBMI) am Helmholtz Zentrum München und Professor für Biologische Bildgebung an der TUM, mit seinem Team gezeigt. Sie nutzten dabei die charakteristischen Eigenschaften von OMVs und Melanin. Die Forscher der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrums München nutzen den dunklen Hautfarbstoff Melanin zur verbesserten Tumordiagnose und -therapie. Melanin nimmt Lichtenergie auf und wandelt diese in Wärme um. Im Labor haben die Wissenschaftler mit Melanin beladene Membran-Nanopartikel hergestellt. Im Tiermodell verbesserten sie die Tumorbildgebung und verzögerten gleichzeitig das Tumorwachstum.

"Outer Membrane Vesicles"

"Melanin absorbiert Licht sehr gut - auch im Infrarot-Bereich. Genau dieses Licht nutzen wir in unserem bildgebenden Verfahren Optoakustik für die Tumordiagnostik. Gleichzeitig setzt Melanin diese aufgenommene Energie in Wärme um, die es wieder abstrahlt. Und Wärme wird in ersten klinischen Studien für die Tumorbekämpfung eingesetzt", so Vipul Gujrati, Erstautor der Studie. Die Optoakustik kombiniert die Vorteile von optischer Bildgebung und Ultraschalltechnik. Dabei erwärmen schwache Laserimpulse das Gewebe geringfügig, woraufhin es sich minimal und kurzzeitig ausdehnt. Zieht sich das Gewebe in Folge der Abkühlung wieder zusammen, entstehen Ultraschallsignale. Je nach Art des Gewebes unterscheiden sich die gemessenen Signale. Diese erfassen die Forscher dann mit Detektoren und "übersetzen" sie in 3D-Bilder. Mithilfe von Sensormolekülen lässt sich die Spezifizität und Genauigkeit der Technik steigern.

Scharfe, kontrastreiche Bilder

Das Team hatte aber zuerst ein Problem zu lösen: Melanin ist schlecht wasserlöslich und damit schwer zu verabreichen. Die Forscher veränderten Bakterien so, dass sie Melanin produzieren und in ihre Membran und den daraus entstehenden Nanopartikeln einlagern konnten. Sie testeten die schwarzen Nanopartikel anschließend an Mäusen, die Tumore im Brustbereich hatten. Die Partikel wurden direkt in den Tumor gespritzt und dieser mit Infrarot-Laserimpulsen im Zuge der optoakustischen Untersuchung angeregt.

BU: Rechts: Tumorgewebe im Infrarot-Wärmebild mit OMVs und Melanin behandelt. Der Tumor (gelb) zeigt eine Temperaturerhöhung nach der Laserbestrahlung. Links: Gewebe mit OMVs ohne Melanin.

Foto: © V. Gujrati/ TUM

Theranostics

OMVs eignen sich als Sensormoleküle für diese Diagnosetechnik, weil sie kontrastreiche Bilder des Tumors liefern. Zudem sind sie auch für photothermale Therapien nutzbar, bei denen das Tumorgewebe mit stärkeren Laserimpulsen erhitzt wird, sodass die Krebszellen absterben. Durch das Melanin erwärmte sich das Tumorgewebe von 37 auf bis zu 56 Grad Celsius, während Kontrolltumore ohne Melanin sich nur auf bis zu 39 Grad Celsius erwärmten. Zehn Tage nach der Behandlung wuchsen die Tumore deutlich langsamer als in der Kontrollgruppe, die keine Melanin-OMVs erhalten hatten. Verstärkt wurde diese Wärmewirkung durch einen weiteren positiven Effekt der Partikel: sie verursachten eine leichte unspezifische Entzündung im Tumorgewebe, was das Immunsystem anregte, den Tumor zu bekämpfen.

„Unsere Melanin-Nanopartikel sind ‚Theranostics‘ – sie könnten gleichzeitig diagnostisch und therapeutisch eingesetzt werden. Das macht sie hochinteressant für die klinische Anwendung“, sagt Vasilis Ntziachristos. Das Forscherteam möchte nun die OMVs weiterentwickeln, so dass sie künftig auch klinisch genutzt werden können.