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.

05.01.2015

Foto: Dr. Patrick Happel

Dr. Patrick Happel; © RUB

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.

Wie werden die Gitterdefekte in die Diamanten eingebaut?

Happel
: Für fluoreszierende Defekte sind zwei Möglichkeiten bekannt: Zum einen können bereits beim Herstellungsprozess gezielt Verunreinigungen eingebracht werden, die zu Gitterdefekten führen. Zum anderen können Defekte nachträglich durch Bestrahlung mit Ionen in Ionenbeschleunigern eingebracht werden. Ob und inwieweit ähnliche Methoden genutzt werden können, um auch im SPECT oder MRT detektierbare Markierungen in die Nanodiamanten einzubringen, beschäftigt uns im Rahmen des aktuell durch die VolkswagenStiftung geförderten Projekts "Functionalized nanodiamonds for biomedical research and therapy".
Foto: Nanodiamant

Nanodiamanten mit fluoreszierendem Gitterdefekt (rot) in Zellen der HeLa-Zelllinie (markiert durch die weiße Umrandung); © RUBION - Ruhr-Universität Bochum

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.

Müssen die bekannten bildgebenden Verfahren noch angepasst werden oder kann jedes Gerät die Signale orten?

Happel
: Die Verfahren müssen im Prinzip nicht angepasst werden. Unser Ziel ist es, den Nanopartikel mit den aktuell verfügbaren Techniken detektieren zu können. Selbstverständlich kann es aber Geräte geben, bei denen einzelne Komponenten nachgerüstet werden müssen.

Wann rechnen Sie damit, dass das Verfahren Praxisreife erlangt?

Happel
: Wir arbeiten derzeit daran, das grundlegende Werkzeug für den medizinischen Einsatz zu entwickeln. Sollte uns das gelingen, wird bei jeder einzelnen potenziellen Einsatzmöglichkeit der Teufel im Detail stecken. Eine realistische Prognose ist daher, leider, unmöglich.

Foto: Simone Ernst; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Das Interview führte Simone Ernst.
COMPAMED.de