Nanomedizin
Nanomedizin ist ein innovativer Bereich der Medizin, der die Fortschritte der Nanotechnologie in praktische Anwendungen überführt. Sie umfasst die Nutzung von Nanomaterialien, biologischen Geräten, nanoelektronischen Sensoren und möglichen zukünftigen molekularen Maschinen. Ziel ist es, die Diagnostik zu verbessern, die gezielte Wirkstoffabgabe zu optimieren und neue Therapien zu entwickeln. Nanomedizin eröffnet Möglichkeiten, Medikamente präzise an erkrankte Zellen abzugeben, die Bioverfügbarkeit zu erhöhen und Nebenwirkungen zu reduzieren. Gleichzeitig stellen Toxizität, Umweltauswirkungen und die Langzeitwirkung nanoskaliger Materialien nach wie vor wichtige Herausforderungen dar.
Nanomaterialien können durch die Kopplung mit biologischen Molekülen zusätzliche Funktionen erhalten. Ihre Größe ähnelt der vieler biologischer Strukturen, weshalb sie sowohl in vitro als auch in vivo für die biomedizinische Forschung und klinische Anwendungen relevant sind. Bereits heute kommen Nanomaterialien in Diagnosegeräten, Kontrastmitteln, Analysewerkzeugen, physikalischen Therapien und Wirkstoffträgern zum Einsatz. Die Nanomedizin entwickelt Werkzeuge und Geräte, die für die Forschung sowie für die klinische Anwendung nutzbar sind. Die erwarteten kommerziellen Anwendungen umfassen vor allem Systeme zur kontrollierten Wirkstofffreisetzung, neue Therapien und in vivo-Bildgebung. Die Forschung wird unter anderem durch nationale Programme wie die National Nanotechnology Initiative in den USA gefördert, die die Mechanismen lebender Gewebe weiter untersuchen.
Immer mehr pharmazeutische und medizinische Unternehmen investieren in nanomedizinische Forschung. Dazu gehören Unternehmen wie Bristol-Myers Squibb, Moderna, Nanobiotix, Generation Bio, Jazz Pharmaceuticals, Pacira und andere. Nanomedizinische Produkte wie nicht-virale Abgabesysteme, mRNA-Impfstoffe oder Medikamente gegen Krebs und Schmerzen zeigen das Potenzial der Technologie. Die Umsätze der Nanomedizin wachsen weltweit stark. Schon 2015 wurden 16 Milliarden US-Dollar erwirtschaftet, und 2023 wurde der globale Markt auf 189,55 Milliarden US-Dollar geschätzt. Prognosen erwarten innerhalb von zehn Jahren ein Marktvolumen von über 500 Milliarden US-Dollar.
Wirkstofftransport
Ein zentrales Anwendungsgebiet der Nanomedizin ist der gezielte Wirkstofftransport. Nanopartikel ermöglichen die Abgabe von Medikamenten an spezifische Zellen und reduzieren den Gesamtverbrauch sowie Nebenwirkungen. Der gezielte Transport maximiert die Bioverfügbarkeit, schützt gesunde Zellen und ermöglicht die kontrollierte Freisetzung durch molekulare Signale. Bereits 1974 wurden Liposomen als Wirkstoffträger vorgeschlagen, heute existieren zahlreiche nanobasierte Systeme auf dem Markt. Lipid- oder polymerbasierte Nanopartikel verbessern die Pharmakokinetik und Biodistribution von Arzneimitteln, wobei die Wirkung zwischen Patienten variieren kann. Komplexe Nanopartikel können die Abwehrmechanismen des Körpers umgehen, Zellmembranen passieren und die Freisetzung der Wirkstoffe gezielt steuern. Eine Herausforderung bleibt die unvollständige Biodistribution, bedingt durch Immunreaktionen und die Schwierigkeit, bestimmte Organe zu erreichen. Toxizität hängt stark von Größe, Form und Material der Nanopartikel ab, wobei langlebige Partikel in Leber oder Milz akkumulieren können. Magnetische Nanopartikel können Tumore beeinflussen, weshalb wechselnde elektromagnetische Felder zum Einsatz kommen. Nanopartikel werden zudem erforscht, um Antibiotikaresistenzen zu bekämpfen oder Multidrug-Resistenzmechanismen zu umgehen.
Systeme in der Forschung
Fortschritte in der Lipidnanotechnologie ermöglichen die Entwicklung neuer Wirkstofffreisetzungssysteme und Sensoren. MicroRNA-Transport mittels selbstassemblierender Nanopartikel könnte Tumore schrumpfen lassen, während nanoelektromechanische Systeme (NEMS) die Wirkstofffreisetzung bei Krebstherapien unterstützen. Weitere Systeme wie Aquasome-Partikel schützen Wirkstoffe vor Dehydrierung und ermöglichen kontrollierte Freisetzung.
Herstellung von Nanomedizin
Die Herstellung von Nanomedizin erfordert präzise Kontrolle über Partikelgröße, Oberflächenstruktur und Verkapselungseffizienz. Moderne kontinuierliche Verfahren, darunter mikrofluidische Methoden, bieten reproduzierbare Ergebnisse, engere Partikelgrößenverteilungen und höhere Produktionsmengen. Bei der Herstellung von mRNA-LNP-Impfstoffen für COVID-19, wie Comirnaty® und Spikevax®, werden kontinuierliche Verfahren genutzt, die effiziente Verkapselung und Skalierbarkeit gewährleisten. Trotz breiter Partikelgrößenverteilungen sind diese Verfahren für Impfstoffe akzeptabel, während mikrofluidische Mixer für kleinere Wirkstoffe zunehmend bevorzugt werden.
Anwendungen
Einige nanotechnologiebasierte Medikamente sind bereits verfügbar oder in klinischen Studien: Doxil, Onivyde, Rapamune und Cabenuva. Liposomen und Nanokristalle verbessern die Bioverfügbarkeit, verlängern die Wirkstoffdauer und reduzieren Nebenwirkungen.
Bildgebung
Nanopartikelbasierte Kontrastmittel verbessern die Darstellung von Blutansammlungen, Tumoren, Entzündungsherden und Gefäßveränderungen. Quantenpunkte liefern hochauflösende Bilder von Tumoren, während Cadmiumselenid-Nanopartikel die präzise chirurgische Entfernung von Tumorgewebe unterstützen.
Sensorik
Nanotechnologie-on-a-Chip ermöglicht Lab-on-a-Chip-Technologien und frühzeitige Erkennung von Krebsmarkern. Magnetische Nanopartikel, gekoppelt an Antikörper, markieren spezifische Moleküle oder Mikroorganismen. Goldnanopartikel erkennen genetische Sequenzen, während Nanoporen die direkte Analyse von Nukleinsäuren erlauben. Nanoelektronische Diagnostik könnte künftig in Apotheken eingesetzt werden und mit minimalen Blutproben innerhalb von Minuten Krebs erkennen. Nanotechnologie verbessert zudem personalisierte Krebsmedizin.
Sepsisbehandlung
Nanopartikel ermöglichen gezielte Entfernung schädlicher Substanzen aus dem Blut, beispielsweise bei Sepsis. Sie können Proteine, Antibiotika oder synthetische Liganden binden und über externe Magnetfelder aus dem Körper entfernt werden. Vorteile sind hohe Selektivität, schnelle Diffusion, geringe Resistenz und niedrige Dosierung, während Risiken wie Nieren- oder Neurotoxizität beachtet werden müssen.
Tissue Engineering
Nanotechnologie kann im Tissue Engineering genutzt werden, um beschädigtes Gewebe mithilfe nanoskaliger Gerüste und Wachstumsfaktoren zu regenerieren oder zu ersetzen. Perspektivisch könnten solche Ansätze herkömmliche Organtransplantationen oder Implantate ergänzen oder ersetzen.
Ausblick
Die Nanomedizin entwickelt sich dynamisch und zeigt sowohl in Diagnostik als auch Therapie enormes Potenzial. Die Forschung zielt darauf ab, Sicherheit, Effektivität und gezielte Anwendung zu optimieren, während gleichzeitig das wirtschaftliche und klinische Potenzial weiter wächst. Mit zunehmender Forschung und kommerzieller Nutzung werden die Anwendungen von Nanomedizin die moderne Medizin in den kommenden Jahrzehnten nachhaltig prägen.