Nanomedizin

Neue wissenschaftliche Erkenntnisse und technologische Entwicklungen waren für die moderne Medizin häufig Meilensteine zu tieferem Verständnis und wirksameren Therapien: Das Mikroskop zum Beispiel führte zur Entdeckung der Bakterien als Krankheitserreger, was grundlegend war für den Fortschritt der Therapien zu deren Bekämpfung. Die Nanowissenschaften und die Nanotechnologie gehören zu den jüngsten Wissenschaftsgebieten und werden von vielen als die Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts betrachtet. Damit drängt sich die Frage auf, welche Rolle diese Technologie in der Medizin spielen wird.

Nanotechnologie, die Pinzette für Moleküle

Die Nanowissenschaft, befasst sich mit sehr kleinen Objekten wie Atomen, Molekülen, Aggregaten und Oberflächen, welche mit neu entwickelten Instrumenten untersucht, «angefasst» und für spezifische Anwendungen strukturiert werden. In der Größenordnung des Nanometers (ein Millionstel eines Millimeters) berühren sich die historisch getrennten Wissenschaftsgebiete von Physik, Chemie, Biologie und Medizin, was die Nanowissenschaften zu einem einzigartig interdisziplinären Gebiet macht.

Weshalb brauchen wir die Nanotechnologie in der Medizin?

Die grundlegende Einheit aller lebenden Organismen, die Zelle, ist aus einer Vielzahl von kleineren Strukturen, den Organellen, aufgebaut; diese bestehen aus miteinander interagierenden Biomolekülen, die mechanische und biochemische Funktionen im Nanometermaßstab vereinen. Diese molekularen «Nanomaschinen» bilden damit das Fundament aller lebenden Organismen. «Nano» ist damit nicht primär eine technologische Erfindung der Neuzeit, sondern eine fundamentale Eigenschaft alles Lebens.

Auch Krankheitsprozesse spielen sich im Nanobereich ab. Viele Krankheitsprozesse beginnen in spezifischen Zelltypen mit einer Funktionsstörung auf der Ebene der Zellorganellen und der zellulären biologischen «Nanomaschinen». Im Gegensatz dazu sind die meisten heutigen medizinischen Methoden makroskopisch – Skalpell, Strahlentherapie, Herzkatheter – und damit zu grob für die kranke Zelle; alternativ können Medikamente eingesetzt werden, die aber ungezielt den Körper überschwemmen und auch an Organen Nebenwirkungen auslösen, die gar nicht am Krankheitsprozess beteiligt sind. Sinnvoll wäre es, die im Nanometermaßstab bei einzelnen Zellen und Organen stattfindenden Krankheitsprozesse auch mit Werkzeugen im Nanometermaßstab gezielt direkt «vor Ort» zu behandeln.

Die moderne Medizin hat schon viel erreicht, aber noch die wenigsten medizinischen Probleme ausgerottet:

Die Arteriosklerose führt weiterhin über Herzinfarkt und Schlaganfall zu Leiden, Pflegebedürftigkeit und vorzeitigem Tod; Krebserkrankungen sind zwar einer Therapie besser zugänglich als noch vor einigen Jahren, aber zum Preis von häufig ausgeprägten Nebenwirkungen; Infektionen wie die Malaria töten in Afrika weiterhin eine Million Kinder pro Jahr; Hirnerkrankungen führen in zu vielen Fällen zum Verlust der Selbstständigkeit und zur Pflegebedürftigkeit; Diabetes ist weltweit rasant zunehmend. Neue medizinische Methoden für diese und auch andere Krankheitsgebiete sind deshalb sehr willkommen.

Die Nanowissenschaften können über ihre Werkzeuge und Methoden charakterisiert werden:

  • Nanomechanik
  • Nanooptik
  • Nanofluidik
  • Nanomaterialien und Nanooberflächen
  • Nanosysteme und Nanoroboter

Nanofluidik / Labordiagnostik

Die Miniaturisierung diagnostischer Tests, die auf Substanzmessungen in Flüssigkeiten beruhen, hat entscheidende Vorteile: Die Probemenge, z.B. Blutproben von Frühgeborenen oder von intensivmedizinisch betreuten Patienten, wie auch die Menge für die Tests benötigter Reagenzien können massiv reduziert werden. Multiple Parameter können gleichzeitig im selben Test gemessen werden. Besonders Tests, die auf einer Oberfläche ablaufen, sind schneller als diejenigen in Flüssigkeiten, da die Diffusionsstrecke der zu messenden Moleküle abnimmt.

Die extrem hohe Empfindlichkeit des Cantilever für mechanische Auslenkungen ist nützlich für dessen Verwendung als Sensor. Zu diesem Zweck ist der Cantilever auf der Oberfläche mit einer reaktiven Schicht versehen. Kommen die zu messenden Moleküle mit dieser Schicht in Berührung, ändern sich die Oberflächeneigenschaften geringfügig, was zu einer kleinen, aber sehr präzise messbaren Auslenkung führt.
Die große Auswahl von möglichen Beschichtungen, z.B. einfache Polymere mit unterschiedlicher Chemie, aber auch Antikörper und Nukleinsäurestränge, macht dieses Sensorprinzip extrem vielseitig.

Nanomedizin als nachhaltige Medizin

Eines der Charakteristika der Nanomedizin besteht darin, dass kleinste Substanzmengen in sehr gezielter Anwendung sowohl für die Diagnostik als auch für die Therapie ausreichen; in experimentellen Studien konnten bestimmte therapeutische Effekte mit einer hundertfach kleineren Substanzmenge erreicht werden als mit herkömmlichen Medikamenten. Die Miniaturisierung von diagnostische Tests kann den Bedarf sowohl an benötigten chemischen Reagenzien als auch für Geräte und Proben massiv reduzieren. Diese Charakteristika bergen ein großes Potenzial für eine nachhaltige Medizin.