Winzige Nanofähren, die Therapeutika an eine gewünschte Stelle in einem Gewebe oder in einer Zelle transportieren und ihre Fracht dort punktgenau auf Kommando abladen – davon träumen Wirkstoff-Forscher und Mediziner schon seit etlichen Jahren. An Ideen wie sie diese Fiktion in die Realität umsetzen könnten, mangelt es ihnen nicht. Einige Forscher konstruierten zum Beispiel kleine synthetische Mikroroboter, die ihre Ladung angetrieben von magnetischen Feldern, Licht oder akustischen Kräften in der Zelle abliefern.
Andere bauten bewegliche Mikroorganismen, etwa Bakterien oder Algen, die sich mithilfe von Flagellen in der Zelle bewegen, zu winzigen Wirkstoff-Frachtern um. Dazu bestückten die Forscher die Bakterien mit Nanopartikeln, Liposomen oder Polymeren (die als Container für die wertvolle Fracht dienen) sowie magnetischen Nanopartikeln, die sich mit einem magnetischen Feld in die gewünschte Richtung lenken lassen. Entscheidend für die Beweglichkeit dieser sogenannten biohybriden Mikroroboter sind Design und Größe der Container. Diese sollten kleiner sein als die Mikroorganismen, um deren Schwimmbewegungen in der Zelle nicht zu behindern – sie müssen aber auch genügend Platz für die Ladung bieten.
Schwäbischer Trick
An diesem Problem scheiterten bisher die meisten biohybriden Mikroroboter-Systeme. Wie man es lösen kann, zeigt Metin Sittis Gruppe am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart. Die Stuttgarter verwenden Nanoliposomen (NLs) als Container und magnetische Nanopartikel (mNPs) für die Steuerung der Bakterien. Das ist an sich nichts Neues. Der Trick der Schwaben ist die spezielle Zusammensetzung und Beladung der NLs sowie die geschickte Verbindung von NLs und mNPs mit der Bakterienoberfläche.
Die Forscher integrierten zunächst den in der Medizin verwendeten fluoreszierenden Farbstoff Indocyaningrün (ICG) in die Lipiddoppelschicht, der Nahes Infrarotlicht absorbiert und in Wärme umwandelt. Danach beluden sie die NLs via Remote Loading mit dem Krebsmedikament Doxorubicin (DOX). Beim Remote Loading etabliert man innerhalb der Liposomen einen sauren pH-Wert und außerhalb einen neutralen. Die neutrale Form von DOX kann die Lipiddoppelschicht passieren, wird im Inneren der Liposomen protoniert und bildet in Gegenwart von Sulfat-Ionen stabile DOX-Komplexe, die in den Liposomen gefangen sind.
Schonende Anheftung
Den Wirkstoff wollte die Gruppe auf zwei verschiedene Weisen aus den Nanoliposomen freisetzen: durch Bestrahlung mit Nahinfrarot (NIR)-Licht, das zur Erwärmung von ICG und letztlich zur Instabilität und Durchlässigkeit der Lipiddoppelschicht führt; oder durch eine lokale Ansäuerung der Nanoliposomen, was den gleichen Effekt hat.
Bei der Verknüpfung von NLs und mNPs mit den Bakterien griff die Gruppe auf das bewährte Biotin-Streptavidin-System zurück, modifizierte dieses aber auf sehr smarte Weise. Sittis Team verwendete einen gentechnisch veränderten E.-coli-Stamm als biologische Basis des Mikroroboters, der ein Biotin-Akzeptor-Peptid am N-Terminus eines Transmembranproteins intrazellulär biotinyliert – und das Biotin anschließend auf der Oberfläche der Zelle präsentiert. Das Anheften von NLs und mNPs über Streptavidin lässt sich hierdurch sehr schonend durchführen. Die Forscher überzogen die Bakterien dazu zunächst mit Streptavidin-verknüpften mNPs, belegten die noch freien Biotin-Gruppen mit Streptavidin und verbanden die Streptavidin-Moleküle anschließend mit biotinylierten NLs. Der Spacer aus Biotin-Streptavidin-Biotin verhindert, dass die aus den NLs freigesetzten Wirkstoffe von der Zellmembran der Bakterien aufgenommen werden.
Nach diesen Vorarbeiten untersuchte Sittis Mannschaft zunächst, ob die Freisetzung von DOX durch NIR-Licht oder einen niedrigen pH-Wert wie geplant funktioniert. Tatsächlich erwärmten sich die mit ICG dotierten und mit DOX beladenen Nanoliposomen nach Beleuchten mit NIR-Licht in wenigen Minuten auf über 40 Grad Celsius. Spätestens fünf Stunden nach einer fünfminütigen NIR-Bestrahlung hatten die Liposomen die Hälfte des DOX freigesetzt. Auch durch die Absenkung des pH-Werts wurde DOX wie erwartet aus den Liposomen entlassen. Bei sehr niedrigem pH-Wert ging dies sehr schnell vonstatten, bei pH 5,5 hatten nach zehn Tagen 56 Prozent der DOX-Moleküle den Weg in die Freiheit gefunden.
Schnurstracks zum Sphäroiden
Lassen sich die magnetischen Mikroroboter auch wie vorgesehen mit einem Magnetfeld steuern? Um dies zu testen, luden die Stuttgarter die Bakterien in das Reservoir eines Mikrofluidik-Systems. Von diesem führten zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Kanäle zu Vertiefungen, in denen sich jeweils ein kultivierter Tumor-Sphäroid befand. Legte die Gruppe ein Magnetfeld parallel zu einem der Kanäle an, richteten sich die Bakterien an diesem aus und schwammen schnurstracks in Richtung des entsprechenden Tumor-Sphäroiden. Das gleiche Verhalten beobachteten die Forscher, wenn sie die Bakterien mit dem Magneten in ein Collagen-Gel manövrierten. Auch hier orientierten sich die Bakterien am Magnetfeld und schwammen parallel zu diesem in das Gel hinein.
Ein Magnetfeld ist aber nicht immer nötig, um biohybride Mikroroboter zu Tumoren zu locken. Bakterien tummeln sich auch ohne magnetische Führung gerne in der Nähe von Tumorgewebe oder Tumor-Sphäroiden. Die Stuttgarter nutzten dies aus, um DOX mithilfe der biohybriden Bakterien in einen Darmkrebs-Sphäroiden zu verfrachten. Dazu inkubierten sie mit DOX beladene Bakterien für zehn Minuten mit den Sphäroidzellen und schalteten dann eine Lampe mit NIR-Licht ein, die das Entladen von DOX aus den Nanoliposomen auslöste. Die auch ohne NIR-Licht zu beobachtende, sehr geringe Aufnahme von DOX in die Sphäroidzellen erhöhte sich hierdurch um ein Vielfaches und führte schließlich zum Absterben der Krebszellen.
Harald Zähringer
Akolpoglu M. et al. (2022): Magnetically steerable bacterial microrobots moving in 3D biological matrices for stimuli-responsive cargo delivery. Science Advances, 8(28):eabo6163
Bild: Akolpoglu et al.