Pressemitteilung/News

Bildgebung
04.04.2019

Melanin als neuer Diagnose- und Behandlungsansatz für Tumore – Schwarze Nanopartikel bremsen Tumorwachstum

Der dunkle Hautfarbstoff Melanin schützt uns vor schädlichen Sonnenstrahlen, indem er Lichtenergie aufnimmt und in Wärme umwandelt. Diese Fähigkeit lässt sich sehr effektiv für die Tumordiagnose und -therapie einsetzen. Das zeigte ein Team des Helmholtz Zentrums München und der Technischen Universität München (TUM), das mit Melanin beladene Membran-Nanopartikel hergestellt hatte. Im Tiermodell verbesserten diese die Tumorbildgebung und verzögerten gleichzeitig das Tumorwachstum.

Rechts Tumorgewebe im Infrarot-Wärmebild mit OMVs und Melanin behandelt. Der Tumor (gelb) zeigt eine Temperaturerhöhung nach der Laserbestrahlung. Links Gewebe mit OMVs ohne Melanin. © V. Gujrati/ TUM

Nanopartikel gelten als vielversprechender Ansatz für die Tumorbekämpfung, weil Tumorgewebe sie aufgrund eines durchlässigeren Blutgefäßsystems leichter aufnimmt als gesunde Zellen. Ein Beispiel für sie sind kleine Bläschen, die von Bakterienmembran umgeben sind und als "Outer Membrane Vesicles“ (OMVs) bezeichnet werden. Die 20 – 200 Nanometer großen Partikel haben viele Vorteile: Sie sind biologisch verträglich und abbaubar, lassen sich leicht und günstig auch in großem Maßstab in Bakterien produzieren, zum Beispiel mit medikamentösen Wirkstoffen beladen und einfach verabreichen.

Nanopartikel mit schwarzer Fracht

Welches große Potential OMVs noch für die Tumordiagnostik und -therapie haben können, hat Prof. Vasilis Ntziachristos, Direktor des Instituts für Biologische und Medizinische Bildgebung (IBMI) am Helmholtz Zentrum München und Professor für Biologische Bildgebung an der TUM, mit seinem Team gezeigt. Sie nutzten dabei die charakteristischen Eigenschaften von OMVs und Melanin.

Dr. Vipul Gujrati, Erstautor der Studie, erklärt das Prinzip: „Melanin absorbiert Licht sehr gut - auch im Infrarot-Bereich. Genau dieses Licht nutzen wir in unserem bildgebenden Verfahren Optoakustik für die Tumordiagnostik. Gleichzeitig setzt Melanin diese aufgenommene Energie in Wärme um, die es wieder abstrahlt. Und Wärme wird in ersten klinischen Studien für die Tumorbekämpfung eingesetzt“.

Die Optoakustik kombiniert die Vorteile von optischer Bildgebung und Ultraschalltechnik und wurde von Ntziachristos entscheidend vorangebracht. Dabei erwärmen schwache Laserimpulse das Gewebe geringfügig, woraufhin es sich minimal und kurzzeitig ausdehnt. Zieht sich das Gewebe in Folge der Abkühlung wieder zusammen entstehen Ultraschallsignale. Je nach Art des Gewebes unterscheiden sich die gemessenen Signale. Diese erfassen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dann mit entsprechenden Detektoren und ‚übersetzen‘ sie in dreidimensionale Bilder. Mit Hilfe von Sensormolekülen lässt sich die Spezifizität und Genauigkeit der Technik noch weiter steigern.

Wärmeentwicklung reduziert Tumorwachstum

Das Team hatte aber zuerst ein Problem zu lösen: Melanin ist schlecht wasserlöslich und damit schwer zu verabreichen. Hier kamen die OMVs ins Spiel: Die Forscherinnen und Forscher veränderten Bakterien so, dass sie Melanin produzieren und in ihre Membran und den daraus entstehenden Nanopartikeln einlagern konnten. Sie testeten die schwarzen Nanopartikel anschließend direkt im Tumorgewebe und regten dieses mit Infrarot-Laserimpulsen im Zuge der optoakustischen Untersuchung an.

Es zeigte sich, dass sich die OMVs als Sensormoleküle für diese Diagnosetechnik eigneten, weil sie kontrastreiche und scharfe Bilder des Tumors lieferten. Zudem waren sie auch für photothermale Therapieansätze einsetzbar, bei denen das Tumorgewebe mit stärkeren Laserimpulsen erhitzt wird, so dass die Krebszellen absterben. Durch das Melanin erwärmte sich das Tumorgewebe von 37°C auf bis zu 56°C, während Kontrolltumore ohne Melanin sich nur auf bis zu 39°C erwärmten. Im Verlauf von zehn Tagen nach der Behandlung wuchsen die Tumore deutlich langsamer als in der Kontrollgruppe, die keine Melanin-OMVs erhalten hatten. Verstärkt wurde diese Wärmewirkung durch einen weiteren positiven Effekt der Partikel: sie verursachten eine leichte unspezifische Entzündung im Tumorgewebe, was das Immunsystem anregte, den Tumor zu bekämpfen.

„Unsere Melanin-Nanopartikel sind ‚Theranostics‘ – sie könnten gleichzeitig diagnostisch und therapeutisch eingesetzt werden. Das macht sie hochinteressant für die klinische Anwendung“, sagt Vasilis Ntziachristos. Das Team möchte nun ihre OMVs weiterentwickeln, so dass sie künftig auch klinisch genutzt werden können.


Weitere Informationen

Original-Publikation:
Vipul Gujrati, Jaya Prakash, Jaber Malekzadeh-Najafabadi, Andre Stiel, Uwe Klemm, Gabriele Mettenleiter, Michaela Aichler, Axel Walch and Vasilis Ntziachristos: Bioengineered bacterial vesicles as biological nanoheaters for optoacoustic imaging, Nature Communications, March 7, 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-09034-y

Das Helmholtz Zentrum München verfolgt als Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt das Ziel, personalisierte Medizin für die Diagnose, Therapie und Prävention weit verbreiteter Volkskrankheiten wie Diabetes mellitus, Allergien und Lungenerkrankungen zu entwickeln. Dafür untersucht es das Zusammenwirken von Genetik, Umweltfaktoren und Lebensstil. Der Hauptsitz des Zentrums liegt in Neuherberg im Norden Münchens. Das Helmholtz Zentrum München beschäftigt rund 2.300 Mitarbeiter und ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der 19 naturwissenschaftlich-technische und medizinisch-biologische Forschungszentren mit rund 37.000 Beschäftigten angehören. 

Das Institut für Biologische und Medizinische Bildgebung (IBMI) erforscht In-vivo-Bildgebungstechnologien für die Biowissenschaften. Es entwickelt Systeme, Theorien und Methoden zur Bildgebung und Bildrekonstruktion sowie Tiermodelle zur Überprüfung neuer Technologien auf der biologischen, vorklinischen und klinischen Ebene. Ziel ist es, innovative Werkzeuge für das biomedizinische Labor, zur Diagnose und dem Therapiemonitoring von humanen Erkrankungen bereit zu stellen.

Die Technische Universität München (TUM) ist mit rund 550 Professorinnen und Professoren, 41.000 Studierenden sowie 10.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern eine der forschungsstärksten Technischen Universitäten Europas. Ihre Schwerpunkte sind die Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, Lebenswissenschaften und Medizin, verknüpft mit den Wirtschafts- und Sozialwissenschaften. Die TUM handelt als unternehmerische Universität, die Talente fördert und Mehrwert für die Gesellschaft schafft. Dabei profitiert sie von starken Partnern in Wissenschaft und Wirtschaft. Weltweit ist sie mit dem Campus TUM Asia in Singapur sowie Verbindungsbüros in Brüssel, Kairo, Mumbai, Peking, San Francisco und São Paulo vertreten. An der TUM haben Nobelpreisträger und Erfinder wie Rudolf Diesel, Carl von Linde und Rudolf Mößbauer geforscht. 2006 und 2012 wurde sie als Exzellenzuniversität ausgezeichnet. In internationalen Rankings gehört sie regelmäßig zu den besten Universitäten Deutschlands. 

Wir verwenden Cookies um Ihnen den Besuch der Webseite so angenehm wie möglich zu machen. Wir benötigen Cookies um die Dienste ständig zu verbessern, bestimmte Features zu ermöglichen und wenn wir Dienste bzw. Inhalte Dritter einbetten, wie beispielsweise den Videoplayer. Durch die Nutzung unserer Webseite stimmen Sie der Nutzung von Cookies zu. Wir verwenden unterschiedliche Arten von Cookies. Hier haben Sie die Möglichkeit, Ihre Cookie-Einstellungen zu personalisieren:

Einstellung anzeigen.
In unserer Datenschutzerklärung finden Sie weitere Informationen.

Dort können Sie Ihre Cookie-Einstellungen jederzeit ändern.