"Die Medizin wird digital"

In mehreren Büchern hat der amerikanische Ingenieur Eric Drexler seit den achtziger Jahren das Konzept einer „Molekularen Nanotechnologie“ entworfen. Ihr Kernstück: winzige autonome Nanoroboter, die einzelne Atome und Moleküle greifen und platzieren können. Während sich Drexler von der Idee der Nanoroboter distanziert hat, arbeitet der US-Technologe Robert Freitas daran, diese eines Tages als medizinische Werkzeuge einzusetzen. TR sprach mit Freitas über Nanomedizin und den Stand der Molekularen Nanotechnologie.

TR: Herr Freitas, Sie arbeiten seit einigen Jahren an einem vierbändigen Werk über „Nanomedizin“. Zwei Bände sind bereits erschienen. Was ist Nanomedizin?

Robert Freitas: Die allgemeinste Definition lautet: Nanomedizin ist „die Erhaltung und Verbesserung der menschlichen Gesundheit unter Verwendung molekularer Werkzeuge und eines molekularen Verständnisses des menschlichen Körpers“. In der näheren Zukunft wird es in der Nanomedizin erst einmal darum gehen, verschiedenste biokompatible Nanopartikel zu funktionalisieren und zu Modulen zu entwickeln, mit denen Vorgänge im Körper beobachtet, Krankheiten diagnostiziert und auf bestimmte Gewebearten zugeschnittene Medikamente verabreicht werden können.

Dieses Programm umfasst das Gebiet der Biotechnik, die im Grunde eine Nanotechnologie ist, die sich auf biologische Materialien beschränkt. Aber auch Biorobotik gehört dazu. Sie soll dazu dienen, natürliche oder synthetische „minimale Mikroorganismen“ genetisch zu verändern. Die könnten dann in der Gentherapie, zum Ersetzen fehlender Enzyme oder für die Steigerung des Stoffwechsels eingesetzt werden.

Langfristig, sagen wir in zwanzig Jahren, wird es eine weiterentwickelte Nanomedizin geben, die neue Techniken für eine Fertigung von molekularer Genauigkeit ausnutzt und für die kontrollierte Positionierung von Atomen in einer Mechanosynthese – also die Verwendung diamantartiger Kohlenstoffverbindungen. Dazu kommt eine massiv parallele Herstellung von Nanosystemen und –robotern, die sich für ausgeklügelte Diagnosen und Therapien einsetzen lassen. Eine davon wird die Reparatur von Zellen sein. Diese Nanoroboter werden über Bordsensoren, Recheneinheiten, Energieversorgung sowie Kommunikations- und Navigationssysteme verfügen. Medizinische Nanoroboter sind mein Hauptforschungsgebiet.

TR: Sie haben einmal zwischen drei verschiedenen Ansätzen in der Nanomedizin unterschieden: Nanomaterialien, Biotechnik und Molekulare Nanotechnik (MNT). Warum der Unterschied zwischen Biotechnik und MNT? Biotechnik nutzt ja bereits molekulare Strukturen, wie Sie eben selbst sagten.

Robert Freitas: Das stimmt, die Übergänge sind fließend. Mit Nanomaterialien ist es ähnlich: Sie werden immer multifunktionaler und am Ende in Biotechnik und MNT münden. Mir geht es bei dieser Unterscheidung nur darum, die Aufmerksamkeit auf das gesamte Thema zu lenken.

Nanotechnik ist im Wesentlichen Biotechnik. Anders als diese kann sie aber das gesamte Periodensystem der Elemente nutzen, und darüberhinaus auch chemische Strukturen wie diamantartige Kohlenstoffverbindungen, die biologische Systeme nur schwer oder gar nicht zu manipulieren können.

TR: Als eine der wichtigsten künftigen Anwendungen der Nanomedizin gilt die punktgenaue Lieferung von Wirkstoffen mittels Nanofähren an einzelne Zellen. Auf Ihrer „Nanomedicine“-Website bezeichnen Sie diesen Ansatz als anachronistisch. Warum?

Robert Freitas: Der Anachronismus ist folgender: Wenn Sie erst einmal in der Lage sind, computergesteuerte Maschinen wie Nanoroboter zu einzelnen Zellen zu schicken, ist es hoffnunglos altmodisch, dort noch ganze Wolken von Wirkstoffen abzuladen und dann durchs Zellgewebe diffundieren zu lassen. Wenn Sie eine Chemikalie zu einer einzelne Zelle transportieren wollen, nehmen Sie besser einen Nanoroboter, der die nötige Menge exakt zu dieser einen Zelle liefert und zu keiner Nachbarzelle sonst. Die Substanz wird dann ins Zellinnere gebracht oder gar zu einer bestimmten Organelle darin. Da wird nichts zu benachbarten Zellen überschwappen, es sei denn, dass nach einiger Zeit ein Teil der Moleküle durch die Zellmembran nach außen gelangt.

Ist der chemische Eingriff abgeschlossen, werden die Reste der Chemikalie oder überschüssige Reaktionsprodukte aus der Zelle entfernt. Damit wird auch verhindert, dass die Stoffe sich doch noch ausbreiten, wenn die Zelle irgendwann abstirbt. „Drug Delivery“ wird also unter einem ganz anderen Paradigma erfolgen als heute.

Der andere anachronistische Aspekt ist, dass nanomedizinische Therapien im Allgemeinen ohne jegliche Freisetzung von Medikamenten auskommen werden. Nicht einmal in dem verfeinerten Verfahren, wie ich es eben beschrieben habe. Beschädigte Moleküle werden vielmehr in situ, also in der Zelle, repariert oder ersetzt, eins nach dem anderen. Die Medizin wird „digital“. Heute ist sie im Wesentlichen „analog“. Auch dass erfordert ein neues Paradigma.

TR: Sie meinen also, dass Nanomaschinen eines Tages innerhalb von Zellen agieren können? Die größten Partikel, die im Körper im Zuge einer so genannten Phagozytose von Zellen aufgenommen werden, haben einen Durchmesser von 250 Nanometern. Die von Ihnen entworfenen künstlichen Roten Blutkörperchen sind sogar 1 Mikrometer groß. Wie soll das gehen?

Robert Freitas: Doch, Sie könnten Nanoroboter im Zellinneren agieren lassen. Die Mindestgröße für einen unabhängig arbeitenden Nanoroboter ist 0,5 Mikrometer – genug Platz für das Energieversorgungssystem, den Bordcomputer oder die zu transportierenden Wirkstoffe.

0,5 Mikrometer, das ist in etwa so groß wie die kleinsten Organellen im Inneren von Zellen. Von daher ist es keine Problem für einen so kleinen Nanoroboter, sich innerhalb der Zelle zu bewegen. Der Zellkern ist sogar so groß, dass ein Nanoroboter komplett hineinpassen würde. Ist der erst einmal in der Zelle, nutzt er verschiedene Bordwerkzeuge, um seine Arbeit an verschiedenen Organelle...

TR:...also beispielsweise Ribosomen...

Robert Freitas: ...auszuführen. Ich habe das alles in meinen beiden Büchern, die auch online verfügbar sind, beschrieben: wie ein Nanoroboter in die Zelle gelangt, sich im Zellplasma bewegt und navigiert, oder im Zellkern. Auch welche Anforderungen an die Biokompatibilität seines Materials es gibt, oder wie groß ein Nanoroboter sein darf, um nicht einzelne Zellkomponenten zu „erdrücken“.

Es ist auch wichtig, dass Nanoroboter nicht von Fresszellen wie Fremdkörper mittels Phagozytose verschlungen werden. Eine weitere Idee ist, dass Nanoroboter auch mobile Zellen wie Weiße Blutkörperchen entern und diese gewissermaßen von innen heraus fernsteuern. Diese Technik nenne ich „Cytocarriage“.

TR: Das Konzept der Molekularen Nanotechnik basiert ja wesentlich auf der so genannten Mechanosynthese, also dem gezielten Greifen und Platzieren von atomaren und molekularen Bausteinen. Die sollen in diamantartigen Strukturen zusammmengefügt werden. Um dieses Ziel zu erreichen, haben Sie einen experimentellen Vier-Stufen-Weg vorgeschlagen. Gibt es einen Plan, wie dieser in der näheren Zukunft umgesetzt werden könnte?

Robert Freitas: Es kommt darauf an, was Sie unter „näherer Zukunft“ verstehen. Ich glaube fest daran, dass die erste experimentelle Demonstration einer diamantartigen Mechanosynthese in den nächsten drei bis fünf Jahren gelingen könnte. Dieser erste Schritt besteht darin, Wasserstoff- oder Kohlenstoffatome zu positionieren, so wie es der Physiker Noriaki Oyabu 2003 mit einem Siliziumatom gezeigt hat. Ich habe 2005 bereits das erste Patent überhaupt für ein mechanosynthetisches Verfahren angemeldet, über die Zyvex Corporation, und es wird gegenwärtig vom US-Patentamt geprüft.

Ob die Mechanosynthes in den nächsten fünf Jahren realisiert wird, hängt vor allem davon ab, wie viele theoretische Analysen meine Mitstreiter und ich publizieren können. Und auch, ob wir damit glaubwürdig genug werden, um Forschungsgelder zu bekommen, um dann weitermachen zu können.

Gegenwärtig habe ich sechs Forschungskooperationen zustande gebracht: mit der Zyvex Corporation und mit Gruppen am Georgia Institut of Technology, an der Syracuse University sowie an Universitäten in Großbritannien und Russland. Bis auf eine geht es dabei um theoretische Arbeiten. Ich habe auch eine Roadmap für die diamantartige Mechanosynthese zusammengestellt. Sie umfasst 100 Komponenten, ist allerdings noch nicht veröffentlicht. Ich hoffe, dass ich die noch im Laufe des Sommers auf meiner Seite MolecularAssembler.com vorstellen kann. Damit möchte ich in größerem Umfang die theoretische Arbeit fortsetzen, die ich vor zwei Jahren mit Ralph Merkle geschrieben habe. (nbo)