Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Carsten Sönnichsen nutzt bereits seit Jahren einzelne Goldnanopartikel als Sensoren zum Nachweis kleinster Proteinmengen in mikroskopischen Flusszellen. Goldnanopartikel wirken wie Antennen für Licht: Sie streuen und absorbieren es und sind deswegen farbig. Auf Änderungen in ihrer Umgebung reagieren sie mit Farbänderungen. Dieses Konzept hat sich das Forschungsteam um Sönnichsen für die implantierte Sensorik zunutze gemacht.
Damit die winzigen Nanopartikel im Körper nicht einfach wegschwimmen oder von Immunzellen abtransportiert werden, haben die Forscherinnen und Forscher sie in ein poröses Hydrogel mit gewebeähnlicher Konsistenz eingebettet. Unter die Haut implantiert wachsen kleine Blutgefäße und Zellen in die Poren ein. Das Implantat wird in das Gewebe integriert, eine Fremdkörperabstoßung durch den Organismus verhindert. "Unseren Sensor kann man sich wie ein unsichtbares Tattoo vorstellen, nicht viel größer als ein Cent-Stück und dünner als ein Millimeter", so Projektleiter Sönnichsen. Da die Goldnanopartikel infrarot sind, kann unser Auge die Farbe nicht wahrnehmen. Mit einem speziellen Messgerät kann das Implantat aber nicht-invasiv durch die Haut sichtbar gemacht werden.
In der im Fachjournal Nano Letters veröffentlichten Studie hat das Forschungsteam der JGU die Farbänderung des Sensors nach Verabreichung verschiedener Dosen eines Antibiotikums in haarlosen Ratten beobachtet. Über die Blutbahn werden die Arzneistoffmoleküle zum Implantat transportiert. Dort induzieren sie die Farbänderung, sobald sie von spezifischen Rezeptoren auf der Oberfläche der Goldnanopartikel gebunden werden. Die Kombination der farbstabilen Goldpartikel mit dem einwachsenden Hydrogel führt dazu, dass der Sensor im Körper über mehrere Monate mechanisch und optisch stabil bleibt.
"Von farbigen Objekten sind wir es gewohnt, dass sie mit der Zeit ausbleichen. Bei Goldnanopartikeln passiert das nicht, sie behalten dauerhaft ihre Farbe. Weil sie relativ einfach mit verschiedenen Rezeptoren beschichtet werden können, eignen sie sich sehr gut als Plattform für implantierbare Sensoren", erklärt Dr. Katharina Käfer, Erstautorin der Studie.
Das neue Konzept ist generalisierbar und hat das Potenzial, die Lebensdauer von implantierbaren Sensoren deutlich zu verlängern. In Zukunft könnten mit Goldnanopartikel-basierten Implantaten die Konzentrationen verschiedener Biomarker oder Medikamente im Körper gleichzeitig verfolgt werden. Denkbar ist der Einsatz in der Arzneistoffentwicklung, der medizinischen Forschung oder der personalisierten Medizin, beispielsweise zur Therapie chronischer Erkrankungen.
Die Idee, Goldnanopartikel als implantierbare Sensoren zu nutzen, hatte Sönnichsen bereits 2004, kurz bevor er als Juniorprofessor der biophysikalischen Chemie an der JGU begann. In Gang kam das Projekt erst zehn Jahre später durch die Zusammenarbeit mit Dr. Thies Schroeder und Dr. Katharina Käfer, beide wissenschaftliche Mitarbeiter an der JGU. Aus seiner langjährigen Forschungsarbeit in den USA brachte Schroeder Erfahrungen im biologischen und tierexperimentellen Bereich mit. Käfer war damals auf der Suche nach einem spannenden Thema für ihre Promotion und ließ sich von dem komplexen fachübergreifenden Projekt nicht abschrecken. Mit den ersten Ergebnissen konnten ein Stipendium des Max Planck Graduate Center für Katharina Käfer sowie eine Forschungsförderung der Stiftung Rheinland-Pfalz für Innovation eingeworben werden. "Für ein solches Projekt braucht man viele Leute mit Erfahrungen in unterschiedlichen Bereichen und nach und nach konnten wir immer mehr Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler für die Idee begeistern", freut sich Sönnichsen. Schlussendlich führte diese interdisziplinäre Teamarbeit zum Ziel eines ersten funktionierenden implantierbaren Sensors mit Goldnanopartikeln.
COMPAMED.de; Quelle: Johannes Gutenberg Universität Mainz
