Wie können wir sicherstellen, dass lebensrettende Medikamente oder Gentherapien ihre Zielzellen erreichen, ohne schädliche Nebenwirkungen zu verursachen? Forschern des Helmholtz-Zentrums München, der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und der Technischen Universität München (TUM) ist ein wichtiger Schritt zur Beantwortung dieser Frage gelungen. Sie haben eine Methode entwickelt, die erstmals den präzisen Nachweis von Nanoträgern – winzigen Transportvehikeln – im gesamten Mauskörper auf Einzelzellebene ermöglicht. Diese Innovation mit dem Namen „Single-Cell Profiling of Nanocarriers“ oder kurz „SCP-Nano“ kombiniert fortschrittliche Bildgebung mit künstlicher Intelligenz, um beispiellose Einblicke in die Funktionalität nanotechnologiebasierter Therapien zu ermöglichen. Die in Nature Biotechnology veröffentlichten Ergebnisse ebnen den Weg für sicherere und wirksamere Behandlungen, einschließlich mRNA-Impfstoffe und Gentherapien.
Die Rolle von Nanoträgern in der modernen Medizin
Nanoträger werden in der nächsten Welle lebensrettender Medikamente eine zentrale Rolle spielen. Sie ermöglichen die gezielte Abgabe von Medikamenten, Genen oder Proteinen an Zellen im Patienten. Mit SCP-Nano können Forscher die Verteilung extrem geringer Dosen von Nanoträgern im gesamten Mauskörper analysieren und jede Zelle, die sie aufgenommen hat, visualisieren. SCP-Nano kombiniert optische Gewebereinigung, Bildgebung mit Lichtblattmikroskopie und Deep-Learning-Algorithmen. Zunächst werden ganze Mäusekörper transparent gemacht. Nach der dreidimensionalen Abbildung ganzer Mäusekörper können Nanoträger in den transparenten Geweben dann bis auf Einzelzellebene identifiziert werden. Durch die Integration KI-basierter Analysen können Forscher quantifizieren, welche Zellen und Gewebe mit den Nanoträgern interagieren und wo genau dies geschieht.
Praktische Anwendungen von SCP-Nano
Beispiele für Nanoträger, die Ali Ertürk, der Direktor des Instituts für Intelligente Biotechnologie (iBIO) am Helmholtz-Zentrum München, und sein Team mit SCP-Nano analysiert haben, sind Lipid-Nanopartikel (LNPs), DNA-Origami-Strukturen und Adeno-assoziierte Viren (AAVs). Diese Nanoträger sind für moderne Therapeutika, die Krankheiten an ihren zellulären Wurzeln bekämpfen, von wesentlicher Bedeutung. Jeder dieser Nanoträger verfügt über einzigartige Eigenschaften, die ihn für unterschiedliche Anwendungen geeignet machen. DNA-Origami-Strukturen sind leicht programmierbar und AAVs sind hocheffiziente Träger für die Gentherapie. Die LNPs erleichtern die RNA-Abgabe, die modernen mRNA-Impfstoffen und einer breiten Palette anderer RNA-Therapeutika zugrunde liegt. Mithilfe von SCP-Nano zeigten die Forscher, dass DNA-Origami-Strukturen bevorzugt auf die Immunzellen abzielen können, während AAV-Varianten auf bestimmte Gehirnregionen und Fettgewebe abzielen. Wichtig ist, dass die Plattform auch enthüllte, dass sich Lipid-Nanopartikel, die mRNA-Therapeutika tragen, im Herzgewebe ansammeln können. Mithilfe von SCP-Nano können Forscher nun potenziell problematische Off-Target-Gewebe und damit verbundene Toxizitäten erkennen, bevor sie in klinische Studien eintreten, und so den Weg für die Entwicklung sichererer mRNA-Therapeutika ebnen.
Visualisierung von Nanoträgern mit beispielloser Präzision
„Mit SCP-Nano können wir Nanoträger im gesamten Körper in unglaublich niedrigen Dosen, bis zu 0,0005 mg/kg, nachweisen“, sagt der Erstautor der Studie, Dr. Jie Luo. „Das gibt uns eine völlig neue Perspektive auf die Interaktion dieser winzigen Transportfahrzeuge mit Organen und Zellen.“ Luo betont, dass es besonders wichtig ist, dass SCP-Nano unerwünschte Ansammlungen im Herzen oder in der Leber erkennen kann.
Der Mechanismus von Nanoträgern sei vergleichbar mit einem Paketzustelldienst, erklärt Ertürk: „Jeder Nanoträger ist wie ein Paket mit einer wichtigen Nutzlast, die genau in die richtige Wohnung geliefert werden muss, nicht nur in die nebenan.“ SCP-Nano ermöglicht uns die Nachverfolgung genau, wohin diese Pakete geliefert werden, ob sie ihren genauen Bestimmungsort erreichen oder ob sie versehentlich an unerwünschten Orten landen.“
Innovationen in der personalisierten Medizin vorantreiben
SCP-Nano ermöglicht es Forschern, genau zu identifizieren, wo sich Nanoträger ansammeln, und ihre Wechselwirkungen mit Zielzellen zu visualisieren – eine Schlüsselvoraussetzung für sichere und effektive Nanoträgeranwendungen. „SCP-Nano wird nicht nur dabei helfen, die Sicherheit bestehender Nanoträger zu bewerten, sondern auch die Entwicklung neuer, zielgerichteter Anwendungen vorantreiben“, sagt Luo. „Die Plattform kann auch dabei helfen, den Erfolg von mRNA-Therapien zu überwachen oder mögliche Nebenwirkungen frühzeitig zu erkennen.“
Eine neue Ära für Arzneimittelentwicklung und personalisierte Therapien
Durch die Kombination modernster Bildgebungs- und KI-Technologien bietet SCP-Nano Forschern und Klinikern ein neues Verständnis dafür, wie Therapien mit dem Körper interagieren, und kann problemlos auf menschliche Gewebe und Organe ausgeweitet werden. „Präzisionsmedizin und gezielte Verabreichung werden oft diskutiert, aber skalierbare und wirksame Werkzeuge dafür sind begrenzt. Dieser neue Ansatz bietet eine Lösung für eine zentrale Herausforderung in der Arzneimittelentwicklung“, schließt Prof. Ertürk.
Mit seinem Potenzial, Nebenwirkungen zu minimieren und die Behandlungspräzision zu verbessern, stellt SCP-Nano einen wichtigen Schritt hin zu sichereren und wirksameren Therapien in Bereichen wie Krebsbehandlung, Gentherapie und Impfstoffentwicklung dar. Diese Innovation adressiert nicht nur große Herausforderungen bei der Entwicklung nanoträgerbasierter Technologien, sondern treibt auch die Zukunft der Präzisionsmedizin voran.
