Hautkrebs-Behandlung mit Mikronadeln löst gleich zwei Probleme

Bei der Hautkrebs-Behandlung mit photodynamischer Therapie müssen zwei Dinge zusammenkommen: ein lichtempfindlicher Wirkstoff und das Licht, das ihn aktiviert. Beide erreichen tiefere Bereiche eines Tumors bislang nur begrenzt. Forscher aus den USA und Brasilien haben nun untersucht, ob winzige Mikronadeln dieses Problem auf zwei Wegen lösen könnten. Die Nadeln transportieren Medikamente durch die äußere Hautbarriere und verändern zugleich die Ausbreitung des Lichts.

Die Studie von Forschern der Texas A&M University und der Universität São Paulo erschien im Journal of Biomedical Optics. Über die Ergebnisse berichtet auch die International Society for Optics and Photonics (SPIE).

Die photodynamische Therapie kommt bereits bei oberflächlichen Hautveränderungen wie aktinischen Keratosen sowie bei bestimmten Basalzellkarzinomen und frühen Plattenepithelkarzinomen zum Einsatz. Ein Wirkstoff macht das erkrankte Gewebe lichtempfindlich. Nach der Bestrahlung entstehen reaktive Sauerstoffverbindungen, die Tumorzellen schädigen und schließlich absterben lassen.

Wie Mikronadeln die Hautkrebs-Behandlung doppelt unterstützen

Die Methode hat allerdings Grenzen. Selbst rotes Licht mit Wellenlängen zwischen 630 und 690 Nanometern dringt laut den Forschern nur etwa vier bis fünf Millimeter tief ins Gewebe ein. Durch Streuung und Absorption sinkt die therapeutisch wirksame Tiefe auf ungefähr zwei Millimeter. Hinzu kommt ein zweites Problem: Wirkstoffe wie Aminolävulinsäure, kurz ALA, verteilen sich nach dem Auftragen als Creme nicht immer gleichmäßig im erkrankten Gewebe.

Mikronadeln könnten beide Schwierigkeiten miteinander verbinden. Das getestete Pflaster trägt 361 pyramidenförmige Spitzen in einer Anordnung von 19 mal 19 Nadeln. Jede einzelne ist etwa 450 bis 500 Mikrometer hoch. Sie besteht aus einem biologisch abbaubaren Polymer und durchdringt die äußere Hautschicht.

Frühere Versuche derselben Forschungsgruppe mit ALA-beladenen Nadeln ergaben bereits, dass sich der daraus entstehende lichtempfindliche Stoff Protoporphyrin IX gleichmäßiger und tiefer im Tumorgewebe von Mäusen verteilte als nach einer Behandlung mit Creme.

Pyramidenförmige Nadeln verteilen Licht in mehrere Richtungen

In der aktuellen Untersuchung stand die optische Eigenschaft der Mikronadeln im Vordergrund. Die Wissenschaftler bestrahlten ein solches Array mit einem grünen Laser bei einer Wellenlänge von 543,5 Nanometern und fotografierten das austretende Licht aus mehreren Winkeln. Zwischen den Nadeln lief der Strahl überwiegend in seiner ursprünglichen Richtung weiter. Innerhalb der pyramidenförmigen Spitzen wurde er dagegen mehrfach reflektiert und gestreut.

Dadurch trat das Licht aus den Nadeln in verschiedene Richtungen aus. Über mehrere Messwinkel hinweg blieb die Intensität an den Spitzen vergleichsweise ähnlich. „Die Mikronadel-Anordnung funktioniert effektiv als isotroper Emitter und ermöglicht eine gleichmäßige Lichtverteilung innerhalb des Gewebes“, schreiben die Autoren. Diese Schlussfolgerung stammt allerdings aus einem vereinfachten Laborversuch. Ob sich das Licht in menschlicher Haut tatsächlich ebenso verteilt, wurde noch nicht untersucht.

© M. Requena et al. Bei der photodynamischen Therapie reichert sich ein lichtempfindlicher Wirkstoff in den Krebszellen an und wird anschließend durch Licht aktiviert, wodurch zellabtötende Moleküle entstehen. Mikronadeln können dazu beitragen, den Wirkstoff zu verabreichen und das Licht effektiver zu verteilen. © M. Requena et al.

Bei der Hautkrebs-Behandlung reicht viel Licht allein nicht aus

Für die photodynamische Therapie kommt es nicht allein auf die gesamte Lichtdosis an. „Die Wirksamkeit der photodynamischen Therapie wird nicht nur durch die gesamte Lichtdosis bestimmt, sondern auch durch ihre räumliche Verteilung im Gewebe“, erklären die Forscher. Wird ein Tumor nur von außen bestrahlt, kann die Lichtintensität mit zunehmender Tiefe rasch sinken. Oberflächennahe Bereiche erhalten dann eine höhere Dosis, während tiefer oder seitlich liegende Zonen schwächer beleuchtet bleiben.

Das kann dazu führen, dass der lichtempfindliche Wirkstoff nicht im gesamten erkrankten Bereich ausreichend aktiviert wird. Die vielen Mikronadelspitzen könnten das Licht stärker verteilen und dadurch ein größeres Gewebevolumen erreichen.

Ein mathematisches Modell der Arbeitsgruppe unterstützt diese Annahme. Eine im Fachartikel erwähnte Veränderung der Lichtabschwächung um rund 30 Prozent bedeutet allerdings weder 30 Prozent mehr Eindringtiefe noch eine entsprechend höhere Heilungsrate. Solche Aussagen lassen die bisherigen Ergebnisse nicht zu.

Ein Mikronadelpflaster könnte zwei Arbeitsschritte verbinden

Die Forscher beschreiben zwei denkbare Wege für eine spätere Anwendung:

Zunächst könnte ein mit ALA beladenes Mikronadelpflaster den Wirkstoff in die Haut bringen. Später würde ein zweites, wirkstofffreies Array während der Bestrahlung das Licht verteilen.
Alternativ könnte ein einziges Pflaster Medikament und Licht zusammenführen. Die Nadeln würden den Wirkstoff freisetzen und währenddessen als kleine Lichtleiter dienen.

Für eine solche Kombination müssten die Nadeln lange genug stabil bleiben. In früheren Versuchen der Gruppe lösten sich Mikronadeln mit fünf Prozent ALA selbst nach einer Stunde nur geringfügig auf. Eine andere Variante mit zehn Prozent ALA blieb ohne zusätzliche Erwärmung bis zu zwei Stunden weitgehend erhalten. Die bei früheren PDT-Versuchen verwendete Bestrahlungszeit von 20 Minuten läge damit innerhalb dieses Zeitfensters.

Ob Mikronadeln die Hautkrebs-Behandlung tatsächlich verbessern, müssen weitere Versuche klären. Die aktuellen optischen Messungen fanden auf einem Glasträger statt, nicht in lebendem Gewebe. Als nächste Schritte sollen Gewebemodelle und präklinische Untersuchungen zeigen, ob die bessere Lichtverteilung auch unter realistischeren Bedingungen erhalten bleibt.

Kurz zusammengefasst:

Bei der photodynamischen Hautkrebs-Behandlung müssen lichtempfindlicher Wirkstoff und Licht dieselben Tumorbereiche erreichen, was in tieferem Gewebe bisher nur begrenzt gelingt.
Biologisch abbaubare Mikronadeln könnten den Wirkstoff tiefer in die Haut bringen und das Licht zugleich gleichmäßiger in verschiedene Richtungen verteilen.
Bisher stammen die Ergebnisse aus Laborversuchen und früheren Tiermodellen; ob die Methode die Behandlung beim Menschen verbessert, müssen weitere präklinische und klinische Untersuchungen klären.

Übrigens: Auch andere Forscher arbeiten daran, Licht gezielter gegen Krebs einzusetzen – etwa mit LED-Strahlung und winzigen Zinnoxid-Flocken, die Tumorzellen im Labor stark erhitzen und abtöten. Mehr dazu in unserem Artikel.