Vom Periodensystem in die Medizin: Silizium für die Theranostik

Interview mit Dr. Vladimir Sivakov; Head of "Semiconductor Nanostructures" Group am Leibniz Institut für Photonische Technologien

01/10/2015

 
Foto: Dr. Vladimir Sivakov

Dr. Vladimir Sivakov; © IPHT

Seit einiger Zeit werden Halbleiter-Nanopartikel für bio-medizinische Anwendungen erforscht. Dabei sind sie nicht nur Millionstel Millimeter klein, sondern bieten ein großes Potenzial für die Diagnostik und Therapie, der sogenannten Theranostik, von Krebs. Sie dringen in Zellen ein, werden durch Ultraschall-Strahlung in Bewegung versetzt und zerstören die Zellen durch die ausgelöste Vibration.

Bislang ist der Einsatz von vielen Halbleiter-Nanoteilchen im menschlichen Körper aufgrund ihrer hohen Toxizität gescheitert. Bei Silizium-Nanopartikeln sieht dies allerdings anders aus, weiß Dr. Vladimir Sivakov, Arbeitsgruppenleiter im Bereich Halbleiter-Nanostrukturen am Leibniz-Institut für Photonische Technologien in Jena.

Herr Dr. Sivakov, was genau sind Silizium-Nanopartikel?

Dr. Vladimir Sivakov:
Bei Silizium handelt es sich um das zweithäufigste Material auf der Erde. Somit ist es in nahezu unbegrenzten Mengen vorhanden. Durch spezielle Verfahren wie Top-Down oder Bottom-up ist es möglich, Silizium im Nanometermaßstab herzustellen. Die Eigenschaften solcher nanoskaligen Objekte unterscheiden sich teils erheblich von den Eigenschaften des Bulk-Materials. Wir sind in der Lage, mit den von uns verwendeten Verfahren insbesondere hoch poröse Silizium-Nanopartikel mit Abmessungen unter 100 Nanometer herzustellen. Zusätzlich emittieren die so hergestellten Silizium-Nanostrukturen rot-oranges Licht bei der Bestrahlung mit geeigneten Wellenlängen. Dieses als Photolumineszenz bezeichnete Phänomen in Kombination mit der großen Oberfläche der porösen Silizium-Nanopartikeln macht sie als Kontrastmittel, aber auch als Vehikel für verschiedene Krebstherapeutika interessant.

Warum eignet sich gerade Silizium für die Medizin? Kann damit jede Art von Krebs detektiert beziehungsweise therapiert werden?


Sivakov: Bei Silizium handelt es sich um ein Material, das nicht toxisch auf den menschlichen Körper wirkt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass Silizium im Vergleich zu metallischen oder oxidischen Partikeln wie Gold oder Eisenoxid vom menschlichen Körper sukzessiv zu Kieselsäure abgebaut wird und somit nach erfolgter Diagnostik und Therapie ohne Probleme ausgeschieden werden kann. Im Vergleich dazu verbleiben metallische Nanopartikel im Körper und können weitere Beschwerden verursachen.

Prinzipiell ist es möglich, jegliche Art von Krebs mit solchen Partikeln zu diagnostizieren, aber auch zu therapieren. Hier stehen wir aber noch am Anfang unserer Forschungen. Es ist jedoch möglich, Silizium-Nanopartikel mit einem für die jeweilige Krebsart spezifischen Antigen an der Oberfläche auszurüsten. Dadurch reichern sich die Partikel hauptsächlich in den Regionen des Körpers an, welche vom Krebs betroffen sind. Diese Selektivität ist nur eine von vielen Herausforderungen, welcher wir uns stellen wollen.

Foto: Fluoreszenzmikroskopie-Aufnahme

Fluoreszenzmikroskopie-Aufnahme von MFC-7 Krebszellen (blau, grün) mit Silizium-Nanostrukturen (rot); © IPHT

Wie sieht denn nun die Theranostik unter Verwendung von Silizium aus?
Sivakov: Hierbei gibt es verschiedene Ansätze, die momentan intensiv erforscht werden. Die Diagnose von Tumoren kann beispielsweise über die Photolumineszenzeigenschaft der Partikel über lichtmikroskopische Techniken erfolgen. Zu nennen wären dabei die Konfokalmikroskopie oder die optische Kohärenztomografie. Problematisch hierbei ist, dass Licht im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrumsnicht sehr tief in den menschlichen Körper eindringt, wodurch die Diagnose hauptsächlich auf oberflächliche Tumore wie zum Beispiel Hautkrebs beschränkt ist. Es können aber noch andere physikalische Effekte der Silizium-Nanopartikel ausgenutzt werden, um Krebs zu diagnostizieren: Bestrahlt man die Partikel mit Radiofrequenzen, so kann ein intensives photoakustisches Signal beobachtet werden. Der Vorteil besteht darin, dass die Eindringtiefe gegenüber Licht im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums erheblich gesteigert ist, wodurch auch weitaus tiefer sitzende Tumore diagnostiziert werden können.

Das Ziel der Theranostik ist es außerdem, den Tumor mit denselben zur Diagnose verwendeten Partikeln auch zu therapieren. Hierfür können hochporöse Partikel mit verschiedenen Krebstherapeutika beladen werden, um diese anschließend gezielt am Tumor freizusetzen. Der Vorteil besteht darin, dass nur der eigentliche Tumor von den Medikamenten angegriffen wird, während der Rest des Körpers von den teils aggressiven Medikamenten verschont bleibt. Durch die Bestrahlung der Partikel mit Ultraschall beginnen diese zu vibrieren. Die Vibration der Partikel verursacht eine lokale Erwärmung, wodurch Zellen aufgrund einer Hyperthermie abgetötet werden. Gleichzeitig kommt es in wässrigen Medien zur sogenannten Kavitation. Die durch diesen Effekt gebildeten Gasblasen können zusätzlich den Tumor bekämpfen.
Foto: Logo des Netzwerkes NanoPhoto

Die Veranstaltung CTCT bringt Wissenschaftler aus den verschiedensten wissenschaftlichen Feldern zusammen, um an der Entwicklung von neuen Nanostrukturen für die Krebsforschung zu arbeiten; © NanoPhoto

2014 wurde unter der Koordination des IPHT Jena das Netzwerk "NanoPhoto" gegründet. Gefördert wird es vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Ziel ist es, die Entwicklung neuer Materialien für die Krebsdiagnostik und -therapie in Europa voranzutreiben. Was wollen Sie mit dem Netzwerk in Zukunft erreichen?


Sivakov: "NanoPhoto" stieß in Europa auf sehr positive Resonanz. Das kleine Ostseestaaten-Netzwerk hat sich von anfänglich fünf Partnern nun zu einem ganz Europa umfassenden Netzwerk entwickelt. Im Juni wurde in Jena die gemeinsam vom Netzwerk "NanoPhoto" und dem IPHT Jena koordinierte Tagung "Current Trends in Cancer Theranostics-CTCT-2015" veranstaltet. Diese in Europa bislang einzigartige Tagung stieß bei den Teilnehmern auf eine solch positive Resonanz, dass noch während der Tagung die CTCT-2016 ins Leben gerufen wurde. Die CTCT-2016 wird in Druskininkai, Litauen ausgerichtet.

"NanoPhoto" soll in Zukunft noch stärker die Vernetzung zwischen Wissenschaftlern verschiedenster Disziplinen – von Physikern und Medizinern über Chemikern und Biologen – fördern. Nur durch dieses hohe Maß an Interdisziplinarität ist es möglich, die Theranostik in Zukunft weiter voranzutreiben.

Foto: Melanie Günther; Copyright: B. Frommann

©B. Frommann

Das Interview führte Melanie Günther
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