Präzise Wirkstoffabgabe und miniaturisierte Operationen mit magnetischen Nanopropellern

Ein interdisziplinäres Forscherteam aus Stuttgart, Heidelberg und London hat magnetische Nanopropeller entwickelt, die genetisches Material an einzelne Zellen liefern können. Die Wissenschaftler verwendeten dafür ein magnetisches Material, das die stärksten bekannten Mikromagnete übertrifft, dabei aber chemisch stabil, ungiftig und biologisch kompatibel ist. Die neuartigen Nanopropeller bergen nach Einschätzung der Forscher großes Potenzial sowohl für biomedizinische Anwendungen als auch minimalinvasive Operationen der Zukunft.

Den Forschenden des Mikro, Nano und Molekulare Systeme Labors und der Abteilung für Moderne Magnetische Systeme am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) ist es gelungen, Nanomagnete zu entwickeln, die in Zukunft neue Verfahren in der Medizin und bei minimalinvasiven Operationen ermöglichen könnten. Aus einer Eisen-Platin-Legierung stellten sie spiralförmige Nanopropeller her, die so groß wie ein Bakterium sind. In Zusammenarbeit mit WissenschaftlerInnen des Francis-Crick-Instituts in London, einem britischen Forschungsinstitut auf dem Gebiet der Biomedizin, und des Max-Planck-Institutes für medizinische Forschung in Heidelberg zeigten die Forscher, dass die magnetischen Nanopropeller nicht nur vollständig biokompatibel sind, also keinerlei negative Effekte in Zellen auslösen, sondern auch genetisches Material zu einzelnen Zellen liefern können.

„Die fantastisch klingende Idee, dass magnetisch gesteuerte Nanopropeller eines Tages die präzise Abgabe von Genen oder Medikamenten ermöglichen könnten, birgt großes Potenzial für die Medizin. Wir sind dieser Vision nun einen kleinen Schritt nähergekommen“, sagt Peer Fischer, der das Mikro, Nano und Molekulare Systeme Labor leitet und ein Pionier auf dem Forschungsgebiet der Nanopropeller ist.

Herausforderung Materialeigenschaft
Nach Angaben der Forschungsgruppe besteht eine große Herausforderung beim Einsatz magnetischer Nanopartikel in der Biomedizin darin, dass einige magnetische Materialien hohe Toxizität aufweisen (Nickel, Kobalt). Andere seien nur schwer herzustellen (Zinkferrit), wiesen geringe chemische Stabilität auf (Eisen korrodiert) oder sie besäßen nur sehr schwache magnetische Momente (Eisenoxide). Die in vielen Bereichen beliebten Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) Supermagnete wiederum könnten bei dieser kleinen Größe bislang nicht hergestellt oder verwendet werden. Daher sei es sehr schwierig, ein ideal geeignetes magnetisches Material für Anwendungen im Nanobereich zu finden.

Neuartige magnetische Nanopropeller, die das Team des Mikro, Nano und Molekulare Systeme Labors kürzlich entwickelt hat, überwinden nun diese Einschränkungen. Den Stuttgarter Wissenschaftlern gelang es, Nanostrukturen zu bauen, die die stärksten bekannten Mikromagnete (NdFeB) übertreffen, dabei aber chemisch stabil und biokompatibel sind. Diese neuen Nanopropeller basieren auf der „L10“-Eisen-Platin(FePt)- Legierung. Sie sind vielversprechend, da sie alle Eigenschaften vereinen, die in der Praxis für solch winzige Lieferanten nötig wären.

Die herausragenden magnetischen Eigenschaften des verwendeten Eisen-Platin-Materials wurden zuvor durch die Abteilung für Moderne Magnetische Systeme am MPI-IS unter der Leitung von Gisela Schütz entwickelt. „Es ist uns gelungen, FePt-Nanomagnete herzustellen, die etwa 50 Prozent stärker sind als die besten Neodym-Verbindungen der Welt“, sagt Schütz. Zusammen mit den Forschenden des Mikro, Nano und Molekulare Systeme Labors nutzten sie zur Herstellung der Nanopropeller den spezialisierten Hochvakuum-Nanofabrikationsprozess „Glancing Angle Deposition“ (GLAD, siehe Youtube-Video), gefolgt von einem Glühvorgang von einer Stunde bei fast 700 Grad. Durch die Verwendung von GLAD konnte das Team, wie auch schon bei anderen Projekten, in wenigen Stunden Milliarden an schraubenförmigen Nanopropellern herstellen.

Gene gezielt in Zellen eingebracht
Mit Unterstützung der Biologen Maximiliano Gutierrez und Claudio Bussi vom Francis-Crick-Institut und des Bioingenieurs Andrew Holle vom MPI für medizinische Forschung zeigte das Team, dass die biokompatiblen Propeller zu Zellen gesteuert werden und Gene liefern konnten. Sie beluden die Propeller zunächst mit DNA, die Information für ein grün fluoreszierendes Protein trug. Die Propeller transportierten die DNA dann ins Innere von Lungenkarzinomzellen, die daraufhin grün zu leuchten begannen. Die Forschenden konnten die Propeller präzise durch das die Zellen umgebende Zellmedium steuern. Aufgrund der hartmagnetischen Eigenschaften, die mit denen starker NdFeB-Mikromagnete vergleichbar sind, stellen die Propeller außerdem die schnellsten dar, die je im Mikro, Nano und Molekulare Systeme Labor entwickelt wurden: Sie können nach Angaben der Experten in einer Sekunde eine Strecke ihrer 13-fachen Länge zurücklegen.

Vincent Kadiri ist der Erstautor des stark interdisziplinären Forschungsprojektes „Biocompatible magnetic micro- and nanodevices: Fabrication of FePt nanopropellers and cell transfection“, dessen Ergebnisse am 6. Mai 2020 im Fachjournal „Advanced Materials“ veröffentlicht wurden. Er geht davon aus, dass die Eisen-Platin-Legierung in Zukunft auch bei der Herstellung anderer Mikro- und Nanoobjekte Verwendung finden wird. „Ich bin sehr glücklich, dass es uns gelungen ist, biokompatible Nanopropeller mit FePt zu konstruieren, die die bisher in diesem Gebiet verwendeten Materialien übertreffen. Es wird interessant sein, die neuen Anwendungen zu sehen, die dadurch ermöglicht werden.“ Die Studie zeige, dass FePt großes Potenzial für den Einsatz in der Mikrorobotik und in einer Vielzahl biomedizinischer Anwendungen aufweise.