Nanodiamanten: "Unser Ziel ist nicht, eine spezielle Krankheit diagnostizieren zu können, sondern der Medizin ein universelles Werkzeug zur Verfügung zu stellen"

Interview mit Dr. Patrick Happel, RUBION - Ruhr-Universität Bochum

Sie sind nicht nur "a girl's best friend"1, sondern auch wichtige Helfer in der Medizin: Diamanten. Letztere sind allerdings so klein, dass sie mit dem bloßen Auge nicht zu erkennen sind. Dr. Patrick Happel von der Ruhr-Universität Bochum erforscht sogenannte Nanodiamanten. Sie sollen einmal dabei helfen die medizinische Bildgebung deutlich zu verbessern.

22.09.2014

Foto: Patrick Happel

Dr. Patrick Happel; © RUBION - Ruhr-Universität Bochum

Warum sind Nanodiamanten die idealen Kandidaten, um im Körper verfolgt zu werden?

Patrick Happel
: Erst eine Markierung ermöglicht in den meisten Fällen die Detektion von Nanopartikeln. Diese befindet sich in der Regel auf der Oberfläche eines Nanopartikels. Eine solche Bindung kann sich jedoch lösen. Bei einer Messung weiß man zwar immer, dass ein detektiertes Signal von der Markierung stammt - aber man kann nicht sicher sein, dass die Markierung noch am Nanopartikel gebunden ist. Es ist also unklar, ob man den Nanopartikel oder nur die Markierung alleine detektiert.

Nanodiamanten bieten hingegen die Möglichkeit, die Markierung im Inneren zu integrieren, indem fremde Atome in das Gitter des Nanokristalls eingebracht werden. Man spricht von sogenannten Defekten. Für makroskopische Diamanten konnte bereits gezeigt werden, dass drei unterschiedliche Markierungen möglich sind, die mit unterschiedlichen Methoden detektiert werden können: Fluoreszierende Defekte sind in speziellen Mikroskopen sichtbar, Defekte aus instabilen Isotopen senden ionisierende Strahlung aus, die zum Beispiel im SPECT sichtbar ist, und der Einbau von Isotopen, die auf externe magnetische Felder reagieren, ermöglicht die Detektion mit Magnetresonanzverfahren.

Es liegt nahe, dass diese Markierungsmöglichkeiten auch auf Nanodiamanten übertragbar sind. Sollte uns das gelingen, könnte man Nanodiamanten auf nahezu allen in der biomedizinischen Forschung relevanten Skalen, von der einzelnen Zelle und ihren Kompartimenten bis zu Organen, detektieren, ohne ihre Oberfläche und somit ihr biochemisches Verhalten zu verändern. Das ist bisher noch mit keinem anderen Nanopartikel möglich.
Foto: Nanodiamant

Nanodiamanten werden beim Herstellungsprozess bei einem Druck von weniger als 0.00001 mbar für 24 Stunden auf 700°C erhitzt; © RUBION - Ruhr-Universität Bochum

Wie viele Nanodiamanten würden zur Diagnostik benötigt werden?

Happel
: Das ist beinahe unmöglich vorauszusagen. Einerseits sollten die Markierungen nach Möglichkeit so intensiv sein, dass sogar ein einzelner Nanodiamant detektierbar ist, andererseits liefert ein einzelner Nanodiamant noch keine diagnostisch verwertbare Information. Wenn man über die absolute Anzahl an Nanopartikeln spricht, sollte man sich allerdings generell vor Augen führen, wie winzig klein diese Partikel sind. Mit heutigen Mitteln kann man Nanodiamanten mit einer Größe von ungefähr fünf Nanometern herstellen. Nimmt man der Einfachheit halber an, die Nanodiamanten hätten die Form eine Würfels, so würde die Anzahl Nanodiamanten in einem ein Milliliter großen Würfel bereits eine Zahl mit 24 Stellen sein. Die absolute Zahl der Nanodiamanten wird sehr hoch sein.

Bei welchen Erkrankungen würde das Verfahren vermutlich eingesetzt?

Happel
: Unser Ziel ist nicht, eine spezielle Krankheit diagnostizieren zu können, sondern der Medizin ein universelles Werkzeug zur Verfügung zu stellen. Ob markierte Nanodiamanten ohne nachträgliche Modifikation im Körper bevorzugt in ein bestimmtes Gewebe eindringen, ist meines Wissens bisher nicht erforscht worden.

Sollen noch weitere Funktionen auf der Oberfläche der Nanodiamanten angesiedelt werden?

Happel
: Das hängt davon ab, wozu der Nanopartikel eingesetzt werden soll. Eine naheliegende Möglichkeit ist, die Oberfläche der Nanodiamanten mit spezifischen Antikörpern zu funktionalisieren. Auch Mehrfachfunktionalisierungen mit einem Antikörper und einem Medikament sind denkbar. Letztlich sind nahezu alle bisher mit Nanopartikeln durchgeführten Ansätze, die auf einer Oberflächenfunktionalisierung beruhen, auch für Nanodiamanten vorstellbar. Sollte es uns gelingen, die Markierungsverfahren vom makroskopischen Diamanten auf den Nanodiamanten zu übertragen, böte der Nanodiamant erstmals die Möglichkeit, den Einsatz bildgebend sowohl auf zellulärer als auch auf der Ebene von Organen zu verfolgen. Das wiederum würde es ermöglichen, einzelne Therapie- und Diagnostikverfahren zu optimieren, Nebenwirkungen zu verringern und neue Verfahren überhaupt zu untersuchen.

Wurde das Verfahren bereits im Tierversuch getestet?

Happel
: Nanodiamanten wurden bereits in den Fadenwurm Caenorhabditis elegans eingebracht, der nach Behandlung keine ungewöhnliche Reaktion zeigte. Darüber hinaus sind mir mehrere aktuelle Projekte bekannt, in denen Nanodiamanten in Vertebraten und Säugern getestet werden. Diese Studien sind allerdings noch nicht abgeschlossen und publiziert, sodass ich an dieser Stelle nicht über die Resultate spekulieren möchte.

1: Aus dem Lied: Diamonds Are a Girl’s Best Friend by Leo Robin
Foto: Simone Ernst; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Das Interview führte Simone Ernst.  
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