Lichtinduzierte Schwingungen ganzer Moleküle können Membran von Melanomzellen zerstören

Die ikonische Hitsingle „Good Vibrations“ der Beach Boys erhält dank einer aktuellen Entdeckung von Wissenschaftlern der Rice University in Houston, USA, eine ganz neue Bedeutungsebene: Sie haben einen Weg entdeckt, Krebszellen zu zerstören, indem sie die Fähigkeit einiger Moleküle nutzen, stark zu vibrieren, wenn sie durch Licht angeregt werden.

Die Forschenden fanden heraus, dass die Atome eines kleinen Farbstoffmoleküls, das für die medizinische Bildgebung verwendet wird, unisono vibrieren und ein sogenanntes Plasmon bilden können, wenn sie durch Licht im nahen Infrarotbereich stimuliert werden. Dies führt dazu, dass die Membran von Krebszellen reißt. Laut der in „Nature Chemistry“ veröffentlichten Studie hatte die Methode in Laborkulturen menschlicher Melanomzellen eine Wirksamkeit von 99 Prozent und die Hälfte der Mäuse mit Melanomtumoren wurde nach der Behandlung krebsfrei.

„Es handelt sich um eine ganz neue Generation molekularer Maschinen, die wir molekulare Presslufthämmer nennen“, erläutert Chemiker Prof. James Tour. Sein Labor hat zuvor Verbindungen im Nanobereich verwendet, die mit einer lichtaktivierten paddelartigen Kette aus Atomen ausgestattet sind. Diese dreht sich kontinuierlich in die gleiche Richtung, um die äußere Membran infektiöser Bakterien, Krebszellen und behandlungsresistenter Pilze zu durchbohren.

Im Gegensatz zu den Bohrern im Nanomaßstab, die auf den molekularen Motoren des Nobelpreisträgers Prof. Bernard Feringa basieren, nutzen molekulare Presslufthämmer einen völlig anderen ⎯ und beispiellosen ⎯ Aktionsmechanismus.

„Ihre mechanische Bewegung ist mehr als eine Million Mal schneller als die früheren Motoren vom Feringa-Typ und sie können mit Licht im nahen Infrarotbereich statt mit sichtbarem Licht aktiviert werden“, so Tour.

Nahinfrarotlicht kann viel tiefer in den Körper eindringen als sichtbares Licht und gelangt so zu Organen oder Knochen, ohne das Gewebe zu schädigen.

„Licht im nahen Infrarotbereich kann bis zu 10 Zentimeter tief in den menschlichen Körper eindringen, im Gegensatz zu nur einem halben Zentimeter, der Eindringtiefe für sichtbares Licht, das wir zur Aktivierung der Nanobohrer genutzt haben“, erklärte Tour, T. T. und W. F. Chao-Professor für Chemie und Professor für Materialwissenschaften und Nanotechnik. „Es ist ein riesiger Fortschritt.“

Bei den Presslufthämmern handelt es sich um Aminocyaninmoleküle, eine Klasse fluoreszierender synthetischer Farbstoffe, die für die medizinische Bildgebung verwendet werden.

„Diese Moleküle sind einfache Farbstoffe, die Menschen schon seit langem verwenden“, führte Erstautor Dr. Ciceron Ayala-Orozco aus. „Sie sind biokompatibel, wasserstabil und können sich sehr gut an die fetthaltige Außenschicht der Zellen anlagern. Aber obwohl sie für die Bildgebung verwendet wurden, wussten die Menschen nicht, wie man sie als Plasmonen aktiviert.“

Ayala-Orozco untersuchte Plasmonen zunächst als Doktorand der Forschungsgruppe von Prof. Naomi Halas, Physikerin und Nano-Ingenieurin an der Rice University.

„Aufgrund ihrer Struktur und chemischen Eigenschaften können die Kerne dieser Moleküle synchron oszillieren, wenn sie dem richtigen Reiz ausgesetzt werden“, sagte Ayala-Orozco. „Ich sah die Notwendigkeit, die Eigenschaften von Plasmonen als Behandlungsform zu nutzen, und interessierte mich für Dr. Tours mechanischen Ansatz im Umgang mit Krebszellen. Ich habe im Grunde die Punkte verbunden. Die von uns identifizierten molekularen Plasmonen haben eine nahezu symmetrische Struktur mit einem Arm auf einer Seite. Der Arm trägt nicht zur plasmonischen Bewegung bei, aber er hilft, das Molekül an der Lipiddoppelschicht der Zellmembran zu verankern.“

Die Forschenden mussten nachweisen, dass die Aktionsweise der Moleküle weder einer photodynamischen noch einer photothermischen Therapie zuzuordnen ist.

„Was hervorzuheben ist, ist, dass wir eine andere Erklärung dafür gefunden haben, wie diese Moleküle funktionieren können“, so Ayala-Orozco. „Dies ist das erste Mal, dass ein molekulares Plasmon auf diese Weise genutzt wird, um das gesamte Molekül anzuregen und tatsächlich eine mechanische Aktion auszulösen, die dazu dient, ein bestimmtes Ziel zu erreichen – in diesem Fall das Zerreißen der Membran von Krebszellen. „In dieser Studie geht es um eine andere Art der Krebsbehandlung mithilfe mechanischer Kräfte auf molekularer Ebene.“

Forschende der Texas A&M University unter der Leitung von Jorge Seminario, Quantenchemiker und Professor für Chemieingenieurwesen, führten eine zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie-Analyse zu den molekularen Merkmalen durch, die am Presslufthammereffekt beteiligt sind. Die Krebsstudien wurden an Mäusen am MD Anderson Cancer Center der University of Texas in Zusammenarbeit mit Dr. Jeffrey Myers, Professor und Vorsitzender der Abteilung für Kopf- und Halschirurgie und Direktor der translationalen Forschung der Abteilung für Chirurgie, durchgeführt.

Nanorobotics, Ltd., das Discovery Institute und die Welch Foundation (C-2017-20190330) unterstützten die Forschung.