Laser und Nanopartikel: Die Zukunft der Krebsbehandlung ist da

Die Zeichnung zeigt eine Maus mit einem Krebstumor am Hinterbein. Die Nanopartikel werden direkt in den Tumor injiziert, der dann mit Laserlicht im nahen Infrarot bestrahlt wird. Nahinfrarotes Laserlicht dringt gut durch das Gewebe und verursacht keine Verbrennungsschäden. [Kamilla Nørregaard/Panum Institut]

Krebstumoren mit mikroskopisch kleinen Partikeln zu injizieren und sie dann mit Lasern zu zerstören, scheint eine Idee zu sein, die direkt aus den Seiten der Science-Fiction stammt. Doch genau das ist die Behandlungsstrategie, die Forscher am Niels-Bohr-Institut und der Fakultät für Gesundheitswissenschaften der Universität Kopenhagen entwickelt haben, um Krebszellen abzutöten.

Die Forscher berichten in ihren Ergebnissen, die kürzlich in Scientific Reports in einem Artikel mit dem Titel „Single Particle and PET-based Platform for Identifying Optimal Plasmonic Nano-Heaters for Photothermal Cancer Therapy“ veröffentlicht wurden, dass die Behandlung an Mäusen getestet wurde – mit Ergebnissen Dies zeigt, dass Tumore erheblich geschädigt werden.

„Bei der Behandlung werden winzige Nanopartikel direkt in den Krebs injiziert“, erklärte die leitende Studienautorin Lene Oddershede, Ph.D., Biophysikerin und Leiterin der Forschungsgruppe „Optische Pinzetten“ am Niels-Bohr-Institut der Universität Kopenhagen. „Dann erhitzt man die Nanopartikel von außen mit Lasern. Dabei kommt es zu einer starken Wechselwirkung zwischen den Nanopartikeln und dem Laserlicht, wodurch sich die Partikel erhitzen. Was dann passiert, ist, dass die erhitzten Partikel die Krebszellen schädigen oder abtöten.“

Die Experimente wurden mit Nanopartikeln unterschiedlicher Größe und Struktur durchgeführt. Die ersten beiden der Serie bestanden aus massivem Gold und die letzten bestanden aus einem Kern aus Glas mit einer Oberfläche aus Gold. Die Perlen wurden mit Nahinfrarotlicht mit Wellenlängen von 807 nm und 1064 nm beleuchtet. Das wirksamste Nanopartikel war die vergoldete Glasperle. [Kamilla Nørregaard/Panum Institut]

Herkömmliche Krebsbehandlungen wie Bestrahlung und Chemotherapie haben erhebliche Nebenwirkungen, da sie nicht nur die Tumore, sondern auch gesunde Körperteile betreffen. Ein großes interdisziplinäres Forschungsprojekt zwischen Physikern des Niels-Bohr-Instituts und Ärzten und Biologen des Panum-Instituts und des Rigshospitalet hatte zum Ziel, eine neue Behandlung zu entwickeln, die Krebstumoren nur lokal befällt und daher viel schonender für den Körper ist. Das Projekt trägt den Namen Laser Activated Nanoparticles for Tumor Elimination (LANTERN).

Nach Experimenten mit verschiedenen biologischen Membranen testeten die Forscher die Methode an lebenden Mäusen. In diesen Experimenten wurden den Mäusen Krebstumoren verabreicht, die aus im Labor gezüchteten menschlichen Krebszellen stammten. Anschließend testete das Forscherteam kleine Nanopartikel mit einem Durchmesser zwischen 80 und 150 Nanometern (nm) (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter). Die getesteten Partikel bestanden entweder aus massivem Gold oder einer Schalenstruktur, die aus einem Glaskern mit einer dünnen Goldhülle darum herum bestand – um herauszufinden, welche Partikel am wirksamsten bei der Reduzierung von Tumoren sind.

„Als Physiker verfügen wir über große Expertise in der Wechselwirkung zwischen Licht und Nanopartikeln und können die Temperatur der erhitzten Nanopartikel sehr genau messen“, bemerkte Dr. Oddershede. „Die Wirksamkeit hängt von der richtigen Kombination zwischen Struktur und Material der Partikel, ihrer physikalischen Größe und der Wellenlänge des Lichts ab.“

Die Bilder zeigen PET-Scans einer Maus mit einem großen Tumor (durch den weißen Pfeil). Der Tumor wird mit Nanopartikeln behandelt, die direkt in den Tumor injiziert und dann mit Laserlicht im nahen Infrarot bestrahlt werden. Das Laserlicht erhitzt die Nanopartikel und schädigt oder tötet so die Krebszellen (rote Pfeile). [Kamilla Nørregaard und Jesper Tranekjær Jørgensen/Panum Institute]

Die besten Ergebnisse erzielten die Forscher mit Nanopartikeln, die 150 nm groß waren und aus einem mit Gold beschichteten Glaskern bestanden. Darüber hinaus wurden die Nanopartikel mit Laserlicht im nahen Infrarotbereich beleuchtet, das das Gewebe am besten durchdringt. Im Gegensatz zur herkömmlichen Strahlentherapie verursacht das Nahinfrarot-Laserlicht keine Verbrennungsschäden am Gewebe, das es durchdringt.

Anschließend konnte das Forscherteam bereits eine Stunde nach der Behandlung anhand von Positronen-Emissions-Tomographie (PET)-Scans direkt erkennen, dass die Krebszellen abgetötet wurden und die Wirkung noch mindestens zwei Tage nach der Behandlung anhielt.

„Jetzt haben wir bewiesen, dass die Methode funktioniert“, bemerkte Dr. Oddershede. „Längerfristig möchten wir, dass die Methode funktioniert, indem die Nanopartikel in den Blutkreislauf injiziert werden, wo sie in den Tumoren landen, die möglicherweise Metastasen gebildet haben. Mit den PET-Scans können wir sehen, wo sich die Tumore befinden, und sie mit Lasern bestrahlen.“ „Zudem können wir kurz nach der Bestrahlung effektiv beurteilen, wie gut die Behandlung gewirkt hat. Darüber hinaus werden wir die Partikel mit Chemotherapie beschichten, die durch die Hitze freigesetzt wird und auch dabei hilft, die Krebszellen abzutöten.“

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