Neue Krebs-Nanopartikel lassen Tumoren bei Mäusen vollständig verschwinden

Ein Tumor, der vollständig verschwindet, ohne dass ein Chirurg zum Skalpell greifen muss: Chinesischen Wissenschaftlern ist das bei Mäusen mit Brustkrebs gelungen. Eine einzige Injektion spezieller Nanopartikel und eine kurze Laserbestrahlung reichten aus, um die Tumoren zu zerstören. In den folgenden 15 Tagen trat kein erneutes Tumorwachstum auf. Auch bei Darmkrebs erwies sich die neue Technik als vielversprechend. Die winzigen Partikel machten Krebsreste sichtbar, die bei einer Operation mit bloßem Auge nicht zu erkennen waren.

Hinter dem Erfolg steckt eine Veränderung auf atomarer Ebene. Wie Wissenschaftler der Universität Shenzhen im Fachjournal Science Bulletin berichten, ersetzten sie gewöhnlichen Wasserstoff durch dessen schwereres, nicht radioaktives Isotop Deuterium. Laut Science China Press verbesserten sich dadurch gleich drei Eigenschaften der Nanopartikel: Sie leuchteten stärker, erzeugten mehr zellschädigende Sauerstoffverbindungen und blieben im Blutplasma stabiler. Die Ergebnisse stammen bislang ausschließlich aus Tierversuchen. Ob das Verfahren auch bei Menschen funktioniert, ist noch offen.

Neue Krebs-Nanopartikel zerstören Brusttumoren vollständig

Für die Behandlung von Brustkrebs kombinierten die Wissenschaftler die Nanopartikel mit einer kurzen Laserbestrahlung. Die Partikel wandeln aufgenommene Lichtenergie teilweise in Wärme um. Zugleich entstehen reaktive Sauerstoffverbindungen, die wichtige Bestandteile von Krebszellen schädigen können. Beide Wirkungen lassen sich für eine gezielte Tumorbehandlung nutzen.

Die Forscher untersuchten das Verfahren an Mäusen mit Brusttumoren, die an der anatomisch entsprechenden Stelle gewachsen waren. Nach einer einmaligen Injektion der optimierten Nanopartikel und anschließender Laserbestrahlung verschwanden die Tumoren vollständig. Während der 15-tägigen Nachbeobachtung trat kein erneutes Tumorwachstum auf. Untersuchungen wichtiger Organe und Blutwerte ergaben außerdem keine erkennbaren Hinweise auf eine Schädigung durch die Behandlung.

Schwerer Wasserstoff verbessert die Wirkung gleich dreifach

Der entscheidende Bestandteil der Nanopartikel trägt die Bezeichnung TTBT. Dabei handelt es sich um ein Molekül, das Licht im zweiten nahinfraroten Bereich aussenden kann. Dieses sogenannte NIR-II-Licht besitzt Wellenlängen zwischen 1.000 und 1.700 Nanometern. Es eignet sich besonders für die Darstellung von Strukturen unter der Haut, weil Gewebe dieses Licht vergleichsweise wenig streut.

Allerdings verlieren solche Moleküle einen Teil ihrer aufgenommenen Energie durch Schwingungen ihrer chemischen Bindungen. Um diese Verluste zu verringern, ersetzten die Wissenschaftler schrittweise Wasserstoff durch das schwerere Isotop Deuterium.

„Der Austausch durch Deuterium wirkt wie ein molekularer Stoßdämpfer“, erklärt Studienautor Professor Dong Wang. Neben der Dämpfung unerwünschter Schwingungen sorgt der Austausch dafür, dass sich die Moleküle dichter anordnen und die entstehenden Partikel Wasser stärker abweisen. Diese Veränderungen verbessern sowohl die Bildgebung als auch die Wirksamkeit und Stabilität der Partikel bei der Krebsbehandlung.

Nanopartikel leuchten stärker und bleiben stabiler

Die Wissenschaftler entwickelten drei Varianten mit unterschiedlichem Deuteriumgehalt. Die am stärksten veränderte Version namens TTBT-d28 schnitt bei den Messungen am besten ab. Gegenüber den ursprünglichen Nanopartikeln ermittelten die Forscher folgende Verbesserungen:

25,9 Prozent höhere Fluoreszenzquantenausbeute: Ein größerer Anteil der aufgenommenen Energie wurde als Licht abgegeben.
14,2 Prozent höhere Ausbeute reaktiver Sauerstoffverbindungen: Die Partikel erzeugten mehr chemisch aktive Stoffe, die Krebszellen schädigen können.
20,7 Prozent höhere Stabilität im Blutplasma: Die Nanopartikel behielten ihre Eigenschaften unter den untersuchten Bedingungen besser bei.

© Science Bulletin Ein kleiner Eingriff auf atomarer Ebene mit großer Wirkung: Deuterium macht Nanopartikel leistungsfähiger. Sie können Brusttumoren bei Mäusen zerstören und versteckte Krebsreste bei Operationen sichtbar machen. © Science Bulletin

Bei Darmkrebs werden versteckte Tumorreste sichtbar

Auch bei Operationen könnten die Nanopartikel helfen. Die Wissenschaftler untersuchten ihre Wirkung an Mäusen mit Darmkrebs. Dabei nutzten sie die Fähigkeit der Moleküle, unter geeigneter Beleuchtung nahinfrarotes Licht auszusenden. Eine spezielle Kamera machte dadurch Gewebestrukturen sichtbar, die das menschliche Auge nicht erkennen kann.

Gegenüber den ursprünglichen Nanopartikeln verbesserte sich die räumliche Auflösung bei der Darstellung von Blutgefäßen um 25 Prozent. Das Verhältnis zwischen Fluoreszenzsignal und Hintergrund stieg um 31 Prozent. Während einer Krebsoperation entdeckten die Wissenschaftler mit dieser Technik verbliebenes Tumorgewebe. Unter normalem weißen Licht waren diese Reste nicht zu erkennen. Eine zweite, gezielte Entfernung beseitigte das verbliebene Krebsgewebe.

Operierte Mäuse überleben deutlich länger

Die verbesserte Erkennung von Tumorresten wirkte sich auch auf das Überleben der Versuchstiere aus. Mäuse nach der fluoreszenzgesteuerten Operation lebten länger.

Die Nanopartikel verbinden damit zwei unterschiedliche Anwendungen: Bei der Laserbehandlung können sie Tumorgewebe durch Wärme und reaktive Sauerstoffverbindungen schädigen. Während einer Operation dienen sie als fluoreszierende Markierung, um Krebsgewebe besser von gesundem Gewebe zu unterscheiden.

Anwendung am Menschen bleibt noch offen

Die Ergebnisse stammen bislang ausschließlich aus Tierversuchen. Ob die Nanopartikel beim Menschen ebenso wirksam und verträglich sind, ist nicht untersucht. Auch zur langfristigen Sicherheit liefern die beschriebenen Versuche noch keine ausreichenden Daten. Bei den Brusttumoren beschränkte sich die rückfallfreie Beobachtungszeit auf 15 Tage.

Professor Wang hält den chemischen Ansatz dennoch für vielseitig einsetzbar. „Diese Strategie erfordert keine Neugestaltung des molekularen Grundgerüsts“, erklärt er. Bereits entwickelte Materialien für bildgebende Diagnostik und lichtgestützte Krebsbehandlungen könnten sich deshalb möglicherweise ebenfalls durch Deuterium verbessern.

Kurz zusammengefasst:

Brusttumoren vollständig zerstört: Bei Mäusen verschwanden Brusttumoren nach einer einzigen Injektion spezieller Nanopartikel und einer kurzen Laserbestrahlung vollständig. Innerhalb von 15 Tagen traten keine Rückfälle auf.
Krebsoperationen verbessert: Die Nanopartikel machten bei Mäusen mit Darmkrebs versteckte Tumorreste sichtbar, die unter normalem Licht nicht erkennbar waren und anschließend entfernt werden konnten.
Neue Behandlung noch nicht am Menschen getestet: Der Austausch von Wasserstoff durch Deuterium machte die Nanopartikel leistungsfähiger, doch Wirksamkeit und Sicherheit sind bislang nur in Tierversuchen untersucht worden.

Übrigens: Krebszellen lassen sich offenbar auch ohne Medikamente oder Laserlicht abtöten. Wissenschaftler entdeckten, dass anhaltender mechanischer Druck Tumorzellen stoppen und ihren Zelltod auslösen kann – manche entkommen jedoch und können sich weiter ausbreiten. Mehr dazu in unserem Artikel.