Nano gegen Corona? Große Veränderung in der Nanochemie

von MCH Messe Schweiz (Basel) AG

Wir kennen Eisenoxid als Rost, den wir zu vermeiden versuchen. Aber Nano-Eisenoxid ist ein starkes Kontrastmittel für die medizinische Bildgebung. Nano-Graphen liefert unter anderem die Grundlage für neue Ferninfrarot-Detektoren – und nicht zuletzt: Nanopartikel-basierte Impfstoffe könnten das neuartige Virus Sars-CoV-2 unschädlich machen.

Lebendimpfstoffe stellen ein Sicherheitsrisiko dar, da sie in ihren virulenten Zustand zurückkehren können. Inaktivierte Impfstoffe wirken vergleichsweise schwächer und erweisen sich als aufwendiger in der Herstellung. Für beide Schwachstellen konventioneller Impfstoffe bietet die Nanobiotechnologie Lösungskonzepte. Die verwendeten Nanopartikel ähneln in Form und Größe einem Virus und werden daher besonders gut von antigenpräsentierenden Zellen umschlossen. Diese wiederum aktivieren die gewünschte spezifische Immunabwehr. Eine Besonderheit vieler Nanopartikel-Impfstoffe: Die Epitope, also die Immunantwort auslösenden Molekülabschnitte eines Antigens, wiederholen sich (repetitive Epitope) – gut für ihre Erkennbarkeit. Impfstoffe auf Nanopartikelbasis sind nicht ganz neu. Eine wurde bereits 1986 für Hepatitis B zugelassen. Heute gibt es verschiedene Möglichkeiten. Als Trägermaterialien können beispielsweise Partikel im Bereich von 1 bis 1000 Nanometern dienen, wie im Hepatitis-B-Impfstoff. Allerdings realisiert die Riehener Firma Alpha-O Peptides mit ihren selbstorganisierenden Protein-Nanopartikeln eines der vielversprechendsten Konzepte. Die verwendeten Proteine ​​verbinden sich durch hydrophobe und ionische Wechselwirkungen zu Protein-Nanopartikeln. Das primäre Ergebnis sind α-Helix-Strukturen, die durch starke Verschränkung „superspiralisierte“ Strukturen bilden. Auf dieser Basis konnte eine Nanopartikelplattform für Impfstoffe aufgebaut werden, sozusagen eine Grundstruktur einer bestimmten Symmetrie und Größe (genauer: Dodekaeder-Ikosaeder-Symmetrie, Partikelgröße: 16-25 nm, wie ein Viruskapsid). Diese Grundstruktur kann zur Bekämpfung verschiedener Viren angepasst werden (zB durch die Wahl der Epitope). Alpha-O Peptides hat bereits einen Impfstoff gegen Malaria im Rennen (Stand: klinische Studie am Menschen, Phase I/IIa in den USA) und hat nun einen weiteren gegen das Virus Sars-CoV-2 entwickelt. Derzeit wird in Tierversuchen getestet, ob es den Körper tatsächlich zur Bildung von Antikörpern anregt und diese das Virus letztendlich unschädlich machen können.

Ein weiterer neuartiger Impfstoff, der bereits im Tierversuch an Makaken erprobt wurde, verwendet sogenannte Replikon-RNA (repRNA). Vorteil: Es kurbelt die Antikörperproduktion besonders stark an, ohne dass es in den Zellkern eindringen muss. Nachteil: Außerhalb der Zellen wird repRNA schnell von Enzymen abgebaut. Dieser Nachteil lässt sich nun jedoch kompensieren, indem man den Wirkstoff in spezielle, schützende Nanopartikel, sogenannte „Lipid InOrganic Nanoparticles“ (Lions), für den Transport zu den Zellen verpackt. Sollte sich das sogenannte HDT-301 in klinischen Studien als erfolgreich erweisen, hätte man einen Impfstoff aus zwei Komponenten; diese können bequem separat hergestellt und am Krankenbett kombiniert werden - fertig zur Injektion.

Eine weitere medizinische Anwendung der Nanotechnologie betrifft die MRT-Bildgebung (Kernspintomographie). Dabei wird ausgenutzt, dass die Relaxationszeiten angeregter Wasserstoffkerne je nach Gewebe unterschiedlich sind, wodurch ein „Kontrast“ entsteht. Durch die selektive Anreicherung von Eisenoxid-Nanopartikeln kann dieser Effekt im Sinne einer klareren Bildgebung fein gesteuert werden. Denn diese Nanopartikel verändern die Relaxation der in ihrer Umgebung angeregten Wasserstoffkerne. Viele Ideen führen weit darüber hinaus. Beispielsweise können Eisenoxid-Nanopartikel in Polymer-Nanopartikel eingebettet werden. In Form solcher großtechnisch herstellbarer Kern-Schale-„Fe3O4 @ MAOETIB“-Nanopartikel können sie sowohl für die MRT als auch für die Computertomographie (CT) verwendet werden. Als duale Kontrastmittel für kombinierte CT/MRT-Untersuchungen haben sie großes Potenzial, die Darstellung von Tumoren zu vereinfachen. Im Bereich der Infrarotanalyse bieten feine Graphenstrukturen einen neuen Ansatzpunkt für verbesserte Detektoren. Es handelt sich um Ferninfrarot-Fotodetektoren mit Graphen-Nanobändern als lichtempfindlichem Element sowie schwarzem Phosphor und Arsen. Forscher des Labors für 2-D-Materialien und Nanogeräte, Moskau, sehen die Möglichkeit, mit solchen Detektoren alle Ferninfrarot- und Terahertz-Strahlungsdetektoren zu ersetzen – ein spannender Wettbewerb. Infrarotsensoren werden in so unterschiedlichen Bereichen wie Nachtsichtgeräten, Fernbedienungen, Zielflugkörpern und Herzschlagsensoren, aber auch – hier als Alternative zum Röntgen – in Gepäckscannern eingesetzt.

Künstliche Intelligenz wird heute eingesetzt, um optische, katalytische oder magnetische Eigenschaften selbst komplexer Nanopartikel vorherzusagen. Es funktioniert so erfolgreich, dass der Flaschenhals oft nicht mehr das Design neuer Materialien ist, sondern die Massensynthese einer Vielzahl guter Kandidaten, erfunden vom Computer. Mit Standard-Laborglasgeräten lassen sich jedoch heute sehr einfach und schnell bis zu 65.000 Nanostäbe mit unterschiedlichen Kombinationen von Metallsulfid-Materialien herstellen; Vor ein paar Jahren hätte es Monate oder Jahre gedauert. An der diesjährigen Ilmac in Basel wird eine enorm vielfältige Nanochemie greifbar, die sich viel dynamischer entwickeln soll, als man es sich noch vor kurzem hätte vorstellen können.

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MCH Messe Schweiz (Basel) AG

Abbildung 1-4: Sind nanometergroße Strukturen zu klein, um gesehen zu werden? - Mit Spezialmikroskopen ist es heute möglich: Mikroskopiesystem auf Basis strukturierter Beleuchtung (N-SIM, Nikon), Auflösung bis in den unteren Nanometerbereich dank stochastischer optischer Rekonstruktion (N-Storm, Nikon), besonders ergonomisch gestaltetes Forschungsmikroskop, invers Forschungsmikroskop als Basis für superauflösende Prozesse (N-Dtorm N-SIM). (© Nikon)

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