Künstliche rote Blutkörperchen zum Wirkstofftransport

Neuartige Polymerpartikel sollen Medizin an die richtige Stelle im Körper bringen.

Seit den Fünfzigerjahren versuchen Forscher bereits, die Fähigkeiten roter Blutkörperchen künstlich nachzuahmen. Die flexiblen Scheibchen transportieren Sauerstoff durch den Körper und zwängen sich dabei durch die engsten Kapillargefäße. Doch ihre physikalischen Eigenschaften, beispielsweise ihre spezielle gewölbte Form, ließen sich bislang nur schwer präzise nachbauen.

Eine Forschergruppe, die sich eigentlich auf neuartige Instrumente zur Medikamentenauslieferung konzentriert, hat nun eine neue Methode entwickelt, mit der sich biologisch abbaubare, biokompatible Polymerpartikel schaffen lassen, deren Größe, Form und Flexibilität der roter Blutkörperchen entsprechen soll. Die Wissenschaftler glauben, dass diese künstlichen Zellen nicht nur zum Sauerstofftransport verwendet werden könnten, sondern auch für viele weitere therapeutische oder bildgebende Verfahren.

"Es wurden bereits mehr als Tausend verschiedene Polymere geschaffen, die zur Medikamentenauslieferung dienen sollen. Wenn man sich diese allerdings im Gesamtüberblick ansieht, repräsentieren sie nur eine synthetische Welt - die Partikel sind stets akkurat kugelförmig", sagt Samir Mitragotri, Chemieingenieur an der University of California in Santa Barbara (UCSB), der das neue Forschungsprojekt leitet. "In der biologischen Welt nutzt die Natur jedoch sehr unterschiedliche Partikel, um ihre Stoffe auszuliefern. Bakterien, Zellen oder Viren sind allesamt speziell darauf geeicht, ganz bestimmte Aufgaben zu erfüllen."

Um die naturnahen synthetischen Zellen zu schaffen, begannen Mitragotri und sein Team, das von Forschern an der University of Michigan unterstützt wurde, mit kugelförmigen Partikeln aus einem häufig verwendeten Polymer namens Polylactid-co-Glycolid (PLGA). Der Stoff gilt als biokompatibel und ist außerdem biologisch abbaubar. Die Kügelchen werden dann Reinigungsalkohol ausgesetzt, was dazu führt, dass sie in sich zusammensacken. Ergebnis ist das typische Vertiefungsmuster roter Blutkörperchen. Die harten PLGA-Partikel agieren dabei als Form, um die die Forscher dann schichtweise Proteine auftragen können. Quervernetzungen sorgen für den notwendigen Halt. Schließlich wird die starre innere Struktur aufgelöst. Ergebnis ist eine weiche, flexible Proteinhülle mit der Größe und Form roter Blutkörperchen. Die Forscher können dabei die Proteinbeschichtungen beliebig verändern und beispielsweise Hämoglobin einsetzen, das Sauerstoff transportiert.

Mitragotri konnte bereits zeigen, dass die Partikel flexibel genug sind, um durch kapillargroße Röhrchen gepresst zu werden. Wirkstoffe lassen sich zu jeder Zeit des Prozesses ergänzen. Die Forschergruppe hat bereits Eisenoxid-Nanopartikel in die synthetischen Zellen eingehüllt und so ein mögliches Kontrastmittel für die Kernspintomographie geschaffen. "Man könnte sich vorstellen, diese Partikel ins Blut zu geben, um damit dann den Blutfluss zu visualisieren", glaubt Mitragotri.

Ali Khademhosseini, Ingenieur für Biomedizin an der Harvard-MIT Devision of Health Sciences and Technology, sieht in der Idee etwas Neuartiges: "Ich habe noch nichts Vergleichbares gesehen. Sowohl das Konzept als auch die entwickelte Herstellungsmethode sind sehr interessant." Besonders spannend sei, dass die Form der Partikel für die jeweilige Anwendungsform optimiert werden könne. "Die ist wichtig für viele verschiedene Dinge, sei es nun die Fluiddynamik in einer Flüssigkeit oder die Interaktion mit unterschiedlichen biologischen Einheiten."

Solche flexiblen, potenziell langlebigen Partikel bieten ein großes Potenzial im Bereich der Medikamentenauslieferung. Allerdings hat Mitragotri hier den wichtigsten Test noch vor sich: Es muss überprüft werden, ob die synthetischen Zellen im Blutkreislauf verbleiben und auch nicht von der Immunabwehr angegriffen werden. Dies sollen nun Tierversuche zeigen.

"1966 habe ich einst ähnliche Partikel hergestellt, die Form und Größe verändern konnten", sagt Blutforscher Thomas Chang von der McGill University im kanadischen Quebec. Die Zellen zwängten sich ebenfalls durch Kapillarröhrchen und hatten eine ähnliche Größe wie rote Blutkörperchen. Das Problem war allerdings, dass selbst synthetische Partikel mit nur einem Achtel der Größe von regulären Blutkörperchen nach nur 30 Sekunden den Blutkreislauf wieder verließen - erst in den Siebzigerjahren stellten Forscher fest, dass sie mindestens 30 Mal kleiner - rund 200 Nanometer oder weniger - sein müssen, damit sie nicht gleich wieder entfleuchen. "Die Hauptsache ist der Nachweis, dass diese neuen Partikel im Blut bleiben", sagt Chang.

Selbst die fortschrittlichsten synthetischen Partikel werden aus dem Blut extrem schnell wieder entfernt. "Die längste Zeit, in der Nanopartikel bislang zirkulierten, lag bei 24 Stunden. Es gibt also einen echten Bedarf an etwas, das deutlich länger im Kreislauf verbleibt", sagt Jeffrey Karp, Harvard-MIT-Professor für Gesundheitswissenschaften. Mitragotris Ansatz könnte dann ein wichtiger Schritt in diese Richtung sein, meint der Forscher, wenn die synthetischen Zellen mindestens drei Monate im Blut verblieben - ähnlich wie echte rote Blutkörperchen. Die Produktionsmethode der UCSB-Forscher sei jedenfalls durchaus leicht zu skalieren.

Falls die künstlichen Zellen wirklich lange genug zirkulieren, wäre der Bedarf sicher groß. "Ich denke, dass jeder, der ein Nanopartikel-artiges System zur Auslieferung von Wirkstoffen oder für bildgebende Verfahren benötigt, gute Gründe für eine Nutzung hätte", meint Daniel Pack, Experte für Medikamentenauslieferungssysteme an der University of Illinois in Urbana-Champaign.

Mitragotri will nun Tierversuche starten und sich außerdem noch andere Methoden ansehen, wie die Natur Stoffe an den gewünschten Ort im Körper bringt. "Wir haben mit roten Blutkörperchen begonnen, aber es könnten noch viele andere Zellen sein, die interessant wären, etwa Viren oder Bakterien." Er und sein Team wollten die synthetische Welt mit der biologischen vereinen. "Wir wollen eine Brücke sein zwischen beiden Extremen." (bsc)