Presseinformation der LMU München vom 02.09.2009

Nanokristalle könnten Krebsmedikamente effizienter machen

Wirkstoffe gegen Krebs haben häufig unerwünschte Nebenwirkungen. Ziel neuartiger Krebstherapien ist daher, den Wirkstoff möglichst effizient in den Tumor einzubringen und dadurch den Körper so wenig wie möglich zu belasten. Wissenschaftler um Dr. Manfred Ogris von der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München haben nun in einer fächerübergreifenden Studie ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die zeitliche Verteilung der Wirkstoffe im Körper sehr genau beobachten lässt. Dabei werden fluoreszierende Nanokristalle an sogenannte Genfähren gekoppelt. Diese werden in den Tumor eingeschleust und erst dort in Proteine umgewandelt, die dann die Krebszellen gezielt angreifen können. Mithilfe von Licht im Nahinfrarot-Bereich konnten Ogris und sein Team nun durch die Fluoreszenz der Nanokristalle verschiedene Arten von Genfähren beobachten und deren Verteilung im Körper im Sekunden- und Minutenbereich verfolgen. Die neue Methode könnte es in Zukunft erleichtern, gezielt wirkende Krebsmedikamente zu entwickeln und weiter zu verbessern (Molecular Therapy, Online Edition).

Bösartige Tumoren besitzen eine besondere Eigenschaft: Sie haben ein System aus Blutgefäßen, das im Gegensatz zu gesundem Gewebe löchrig und damit für größere Teilchen durchlässig ist. Um solche Tumoren effizient zu behandeln, haben Wissenschaftler in den letzten Jahren Trägersysteme entwickelt, mit denen Wirkstoffe in das Tumorgewebe transportiert werden können. Damit ist es möglich, das bösartige Gewebe gezielt anzugreifen und zugleich unerwünschte Nebenwirkungen zu reduzieren. Ein wesentlicher Faktor für die Entwicklung effizienter Transportsysteme ist die zeitliche Verteilung der Wirkstoffe im Körper. Ziel dabei ist, dass diese nicht sofort über die Leber oder die Niere wieder ausgeschieden werden. Stattdessen sollen sie zunächst im Blut zirkulieren und sich dann vor allem im Tumorgewebe anlagern.

Nun hat ein Team aus Pharmazeuten, Biologen und Physikern um Dr. Manfred Ogris vom Department Pharmazie der LMU erstmals eine Methode entwickelt, mit der sich die Verteilung von Wirkstoffen im Körper zeitlich sehr genau beobachten lässt. Dr. Andrey Rogach und sein Team vom Department Physik der LMU und dem Münchner Center for NanoScience (CeNS) entwickelten sogenannte Quantumdots: Winzige Kristalle aus dem Halbleitermaterial Cadmiumtellurid, die gerade einmal zwei bis acht Nanometer (Millionstel eines Millimeters) groß sind. Diese Kristalle haben die Eigenschaft, bei Bestrahlung mit Licht höherer Energie je nach der Größe in verschiedenen Farben zu fluoreszieren. „Im Gegensatz zu bisher entwickelten Quantumdots sind diese Partikel direkt im Wasser hergestellt und dadurch sehr klein“, erläutert Rogach. „Außerdem leuchten sie nicht nur im sichtbaren, sondern auch im nahinfraroten Spektralbereich – eine Eigenschaften, die speziell für Anwendungen im Gewebe sehr wichtig ist.“

Im nächsten Schritt koppelten die Wissenschaftler im Team von Ogris die Quantumdots an Genfähren, die einen DNA-Abschnitt sowie ein positiv geladenes Makromolekül enthalten. „Mithilfe der DNA-Sequenz werden später im Tumor Proteine hergestellt, die selektiv die Tumorzellen angreifen“, erläutert Ogris. „Das Makromolekül dient dagegen dazu, die negativ geladenen Quantumdots fest an die Genfähre zu koppeln und zu verpacken. Die winzigen Teilchen werden dabei in das Molekül eingelagert wie Rosinen in einen Kuchen.“ Die Wissenschaftler bezeichnen diese Strukturen als „Quantoplexe“. Durch Bestrahlung mit Licht im Nahinfrarot-Bereich – der sogenannten Fluoreszenz-Nahinfrarot-Spektroskopie – kann nun die Verteilung der Partikel im Körper zeitlich exakt verfolgt werden.

Zunächst beobachteten Ogris und sein Team die Verteilung der Quantumdots ohne angehängte Genfähre. Dazu spritzten sie die Partikel Mäusen, die durch ein Betäubungsmittel ruhig gestellt waren, und nahmen alle 15 Sekunden ein Bild des Körpers auf. Dadurch konnten sie eine typische zeitliche Verteilung im Körper beobachten: Unmittelbar nach der Injektion fanden sich die Teilchen vor allem im Blut, in den Lymphgefäßen und in der Leber. Nach wenigen Stunden wurde dann der Großteil wieder über die Leber ausgeschieden. Waren die Partikel dagegen an Genfähren gekoppelt, die eine Größe von 100 bis 300 Nanometer besitzen, zeigte sich ein deutlich anderes Verteilungsbild: Nun lagerte sich ein Großteil der Teilchen in der Lunge, ein kleinerer Teil in der Leber an.

„Diese Verteilung ist natürlich nicht immer gewünscht“, erläutert Ogris. „Daher haben wir in einem weiteren Experiment die Oberfläche der Genfähren mit einem anderen Makromolekül, dem sogenannten Polyethylenglykol oder PEG, abgeschirmt.“ Tatsächlich verhinderte diese Abschirmung eine Wechselwirkung der Teilchen mit dem Blut – mit dem Effekt, dass sich deutlich mehr Moleküle im Tumor beobachten ließen. Und obwohl die Genfähren im Blut schon nach wenigen Minuten in die Leber transportiert wurden, war noch 15 Minuten nach der Injektion ein deutliches Signal im Tumorgewebe zu erkennen – ein Zeichen, dass die in den Tumor gewanderten Partikel dort auch längere Zeit verbleiben.

„In Zukunft könnten fluoreszierende Nanokristalle wesentlich dazu beitragen, Trägersysteme zur Behandlung von Tumoren zu untersuchen und nachhaltig zu verbessern“, sagt Ogris. Dies sei zwar momentan nur im Tiermodell möglich, da das verwendete Cadmiumtellurid langfristig giftig ist und in sehr geringen Mengen im Körper verbleibt. „Wesentlich für die Entwicklung neuer Krebsmedikamente ist jedoch, zunächst ihre Verteilung im Körper und ihre Wirkmechanismen genau zu verstehen“, betont Ogris. So wollen die Forscher als nächstes mithilfe von Quantumdots Genfähren untersuchen, die nur bestimmte, tumorspezifische Rezeptoren erkennen und so den Tumor gezielt angreifen. (ca)

Publikation:
„Drug Nanocarriers Labeled With Near-infraredemitting Quantum Dots (Quantoplexes): Imaging Fast Dynamics of Distribution in Living Animals“; Arkadi Zintchenko, Andrei S. Susha, Massimo Concia, Jochen Feldmann, Ernst Wagner, Andrey L. Rogach, Manfred Ogris; Molecular Therapy, Online Edition; 25. August 2009; DOI: 10.1038/mt.2009.201

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 24.08.2009

Karlsruher entwickeln Polarisatoren im Nano-Maßstab

In letzter Zeit haben Metamaterialien, mit denen sich elektromagnetische Wellen, also auch Licht, manipulieren lassen, die Phantasie von Forschern beflügelt. Diese künstlichen Strukturen besitzen Eigenschaften, wie man sie in der Natur nicht findet. Perfekte Linsen ohne Abbildungsfehler, ja sogar optische Tarnmäntel à la Harry Potter sind damit zumindest theoretisch möglich. Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) beschreiben jetzt erstmals dreidimensionale Metamaterialien, die tatsächlich in spektroskopischen Messgeräten Anwendung finden könnten.

In der Arbeit, die die angesehene Fachzeitschrift Science bereits vor dem Abdruck als „Highlight“ auf ihrer Website veröffentlicht hat, kombiniert das Team um Professor Martin Wegener vom Centrum für Funktionelle Nanostrukturen und Professor Volker Saile vom Institut für Mikrostrukturtechnik unterschiedliche Technologien. (Science Express, 20.8.2009, doi:10.1126/science.1177031). Für die Herstellung der neuartigen Elemente wird zunächst mit einem Laser in einem Fotolack die Struktur gleichsam „geschrieben“ und danach aufgelöst. In einem zweiten Schritt wird in den dabei entstandenen Hohlräumen Gold galvanisch abgeschieden, bis sie gefüllt sind. Schließlich wird die Polymer-Urform weggeätzt. Zurück bleibt eine Struktur, die an eine Federkernmatratze erinnert: Sie besteht aus vielen regelmäßig angeordneten, winzigen Goldspiralen mit einem Durchmesser von nur wenigen hundert Nanometern (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter). „Die Spiralen bringen Licht, das durch das Metamaterial strahlt, gleichsam das geordnete Walzertanzen bei“, umschreibt Wegener die Funktionsweise. Aufgrund ihres Aufbaus lassen die dreidimensionalen Metamaterialien nur einen der beiden Drehsinne einer elektromagnetischen Welle passieren. Sie wirken so als Filter für zirkular polarisiertes Licht.

Diese Eigenschaft beruht darauf, dass Metamaterialien nicht nur die elektrische, sondern auch die magnetische Komponente einer elektromagnetischen Welle direkt beeinflussen. „Solche Strukturen können dies je nach Größe der Spiralen für ganz unterschiedliche Wellenlängen und über eine vergleichsweise große Bandbreite von Wellenlängen“, erläutert Justyna Gansel aus der Arbeitsgruppe Wegener. Ihre Ergebnisse räumen den bisher beobachteten Nachteil von Metamaterialien aus, dass ihre speziellen Eigenschaften nur auf ein enges Frequenzspektrum beschränkt sind.

Die neuartigen kompakten und breitbandigen zirkularen Polarisatoren könnten für zahlreiche Anwendungen in der optischen Spektroskopie von großem Interesse sein. Sie ließen sich zum Beispiel in handliche Geräte einbauen, die Gemische von Substanzen analysieren, welche selbst als Polarisatoren wirken. „Die rechtsdrehenden Milchsäuren aus dem Joghurt könnten so in Zukunft mit Hilfe von Metamaterialien bestimmt werden“, spekuliert Gansel.

Mit ihren Arbeiten an nanostrukturierten polarisierenden Metamaterialien setzen die KIT-Wissenschaftler quasi eine alte Karlsruher Tradition fort: Vor gut 120 Jahren benutze Heinrich Hertz einen, allerdings fast zwei Meter großen, linearen Polarisator für seine bahnbrechenden Forschungen über elektromagnetische Wellen. (gk)

Literatur:
Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband Circular Polarizer.
Justyna K. Gansel, Michael Thiel, Michael S. Rill, Manuel Decker, Klaus Bade, Volker Saile, Georg von Freymann, Stefan Linden, and Martin Wegener. Science Express Reports, veröffentlicht online am 20. August 2009; doi:10.1126/science.1177031.

Externer Link: www.kit.edu

Pressemitteilung der TU München vom 06.08.2009

Neue Werkzeuge für Nano-Engineering

Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) und der Harvard University haben neue Methoden entwickelt, um aus kurzen DNA-Molekülen Strukturen mit komplexen Windungen und Krümmungen zu formen. In der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Science berichten sie über eine Reihe von Experimenten in der sie DNA Origami-ähnlich in dreidimensionale Objekte falten konnten, inklusive einer kugelförmigen Gerüstkonstruktion mit nur 50 Nanometer Durchmesser.

„Unser Ziel war es herauszufinden, ob wir DNA so programmieren können dass sie sich selbst in Formen mit vorgegebenen Krümmungen und Windungen in der Größenordnung weniger Nanometer anordnet,“ erklärt der Biophysiker Hendrik Dietz, Professor an der Technischen Universität München. Er arbeitete an diesen Experimenten zusammen mit Professor William Shih und Dr. Shawn Douglas von der Harvard University. „Es hat funktioniert,“ fügt er hinzu, „und wir können jetzt viele verschiedene dreidimensionale Bauteile im Nanobereich herstellen. Etwa Zahnräder oder gebogene Rohre und Kapseln.“ Diese Bauteile hoffen die Forscher zu größeren, komplexeren Funktionseinheiten kombinieren zu können.

Als Medium für Konstruktionen im Nanobereich hat DNA zwei Vorteile: Sie ist ein intelligenter Werkstoff, nicht nur robust und zugleich flexibel sondern auch programmierbar. Zudem ist sie durch jahrzehntelange Arbeit sehr gut erforscht. Die elementaren Werkzeuge die Dietz, Douglas und Shih anwenden sind die programmierbare Selbstorganisation – das Leiten der DNA Stränge in bestimmte vorgegebene Bündel von quer verknüpften Doppelhelizes – und gezieltes Einfügen und Herausnehmen von Basenpaaren. Letztere geben in solchen Bündeln die gewünschte Windung oder Krümmung vor. Die Forscher können nicht nur festlegen ob die Windung rechts oder linksherum erfolgen soll sondern sie können die entstehenden Formen präzise und quantitative kontrollieren und ereichen extrem enge Krümmungsradien von 6 Nanometern.

Die Werkzeuge die sie entwickelt haben beinhalten eine graphische Software die hilft, bestimmte Design-Konzepte in die dafür nötige DNA-Programmierung zu übersetzen. Dreidimensionale Objekte werden durch die Feinabstimmung von Anzahl, Anordnung und Länge der Helizes erzeugt.

In ihrer Publikation präsentieren die Wissenschaftler eine große Auswahl an Nanogebilden und beschreiben im Detail wie sie geplant, hergestellt und validiert wurden. „Viele fortgeschrittene, makroskopische Maschinen benötigen seltsam geformte Teile um zu funktionieren,“ sagt Dietz, „und wir haben die Werkzeuge sie zu fertigen. Aber momentan können wir keine so komplizierten Gebilde generieren wie die Beine einer Ameise oder – noch viel kleiner – 10 Nanometer große chemische Fabriken wie ein Enzym. Wir erwarten einen großen Nutzen, wenn wir nur miniaturisierte Maschinen im Nanobereich bauen könnten, aus Materialien die zuverlässig in unseren Körperzellen arbeiten – aus Biomolekülen wie DNA.“

Originalpublikation:
Folding DNA into Twisted and Curved Nanoscale Shapes,
Hendrik Dietz, Shawn M. Douglas, und William M. Shih,
Science 7 August 2009: Vol. 325. no. 5941, pp. 725 – 730 – DOI: 10.1126/science.1174251

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Pressemitteilung der TU München vom 20.07.2009

Mechanische Untersuchungen zeigen, wie Muskeln zu ihrer Kraft kommen

Winzige Eiweißmoleküle in den Muskelfasern sind die eigentliche Ursache unserer Muskelkraft. Zusammen mit Biologen aus Hamburg haben Physiker der Technischen Universität München (TUM) die mechanischen Eigenschaften einzelner Eiweißmoleküle untersucht. In der heutigen Ausgabe der „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) beschreiben sie, wie die zwei Eiweißbausteine, Titin und Telethonin, zusammenarbeiten und warum die Muskeln bei Beanspruchung nicht einfach auseinander fallen. Die Ergebnisse ihrer Untersuchungen könnten nicht für die Medizin sondern auch für die Nanotechnologie bedeutsam sein.

Die eigentliche Ursache für die Kraft unserer Muskeln resultiert aus Nanometer kleinen biologischen Bausteinen. Ein Schlüsselelement ist dabei das Eiweiß Titin, das größte Protein im menschlichen Körper überhaupt. Es ist hochelastisch und sorgt dafür, dass die Muskelfasern nach der Dehnung wieder in ihre Ruheposition zurück finden.

Auch bei einer Vielzahl weiterer Muskelfunktionen spielt das Riesenprotein eine wichtige Rolle. In einer Z-Scheibe genannten Struktur ist es mit dem für den Kontraktionsvorgang wichtigen Protein Aktinin und einem weiteren Protein, dem Telethonin, verbunden. Im Jahre 2006 zeigten Forschungsarbeiten, dass das Telethonin als Bindeglied zwischen Titin-Ketten fungiert. Simulationsrechnungen deuteten darauf hin, dass die beiden Moleküle durch starke Wasserstoffbrücken zusammen gehalten werden. Doch wie das genau funktioniert, konnten die Untersuchungen nicht ans Tageslicht bringen.

Dem Team um Professor Matthias Rief und Morten Bertz von der TU München, die auch Mitglied des Exzellenzclusters „Center for Integrated Protein Science Munich“ (CIPSM) sind, sowie den Molekularbiologen um Professor Matthias Willmanns am Hamburger European Molecular Biology Laboratory (EMBL) gelang es nun erstmalig, die mechanische Stabilität des Titin-Telethonin-Komplexes direkt zu messen. „Unsere Messungen zeigten, dass die Bindung extrem stark ist, aber nur in Richtung der Beanspruchung,“ erläutert Rief. „Die makroskopische Funktion des Muskels, nämlich Zusammenziehen und Entspannen, wird also in der Nanowelt der Proteinmoleküle exakt widergespiegelt.“

Mit einer in Garching entwickelten Methode können die Forscher einzelne Moleküle an der hochempfindlichen Spitze eines Rasterkraft-Mikroskops befestigen. Mit diesem ziehen sie am Molekül und können so seine mechanischen Eigenschaften direkt messen. Ihre Messungen zeigten nun, dass der Titin-Telethonin-Komplex in Arbeitsrichtung die stärkste jemals in der Natur gefundene Protein-Bindung aufweist. Wurde der Komplex in einer anderen Richtung auseinander gezogen, so ließ er sich leicht lösen.

Die Forscher vermuten in der richtungsabhängigen Protein-Bindung ein wichtiges Konzept, das die Natur an vielen Stellen nutzt, an denen Organismen mechanischer Beanspruchung unterliegen. Ein genaueres Verständnis dieser Konzepte könnte sowohl die physiologische Forschung und die Entwicklung biomedizinischer Lösungen voran bringen als auch biomimetische Entwicklungen in der Nanotechnologie inspirieren.

Die Forschungsarbeit wird unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).

Originalpublikation:
The Titin-Telethonin complex: A directed, super stable molecular bond in the muscle Z-disk, Morten Bertz, Matthias Wilmanns, and Matthias Rief, Proceedings of the National Academy of Sciences, July 20, 2009.

Externer Link: www.tu-muenchen.de