Mit Nanopartikeln gegen Arteriosklerose

Ersatzzellen zu erkrankten Gefäßen lotsen

In Industrieländern leiden besonders viele Menschen an Arteriosklerose – mit teils tödlichen Folgen. Die Ablagerungen in den Schlagadern führen unter anderem zu Schlaganfällen und Herzinfarkten. Ein Forscherteam unter Federführung der Universität Bonn hat jetzt eine Methode entwickelt, bei der Ersatzzellen mit Hilfe von Nanopartikeln zu den krankhaften Gefäßabschnitten gelotst werden.

Juniorprofessorin Dr. Daniela Wenzel (links) und Dr. Sarah Rieck vom Institut für Physiologie I der Universität Bonn untersuchen, wie sich krankhaft veränderte Blutgefäße durch Ersatzzellen regenerieren lassen. Im Bild zu sehen ist eine Perfusionsapparatur, mit der die Wissenschaftlerinnen Blutgefäße von Mäusen mit Endothelzellen wiederbesiedelt haben. (Foto: Katharina Wislsperger / Ukom UKB)

Die Wissenschaftler zeigten an Mäusen, dass die frischen Zellen dort tatsächlich ihre heilende Wirkung entfalteten. Für eine Anwendung beim Menschen besteht aber noch erheblicher Forschungsbedarf. Die Ergebnisse werden nun im Fachjournal „ACS NANO“ vorgestellt.

Bei der Arterienverkalkung (Arteriosklerose) kommt es zu krankhaften Ablagerungen in den Schlagadern, die zu Gefäßverengungen führen. Schlaganfälle oder Herzinfarkte sind aufgrund der dann mangelnden Durchblutung eine häufige Folge. Eine wichtige Rolle spielen dabei die Endothelzellen, die die Blutgefäße auskleiden. „Sie produzieren Stickstoffmonoxid und regulieren darüber die Weitung der Gefäße und den Blutdruck“, erläutert Juniorprofessorin Dr. med. Daniela Wenzel vom Institut für Physiologie I der Universität Bonn. Werden die Endothelzellen geschädigt, ist das meist der schleichende Beginn für eine Arteriosklerose.

Ein Forscherteam um Jun.-Prof. Wenzel hat nun zusammen mit der TU München, dem Institut für Pharmakologie und Toxikologie des Universitätsklinikums Bonn sowie der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Berlin eine Methode entwickelt und erfolgreich an Mäusen getestet, mit der sich geschädigte Endothelzellen regenerieren lassen. Die Wissenschaftler schleusten in gezüchtete Zellen mit Hilfe von Viren das Gen für das Enzym eNOS ein, das wie ein Turbolader die Stickstoffmonoxidproduktion im Endothel ankurbelt. „Das Enzym ist eine wesentliche Voraussetzung dafür, dass die Endothelzellen ihre ursprüngliche Funktion voll wieder herstellen“, berichtet Dr. Sarah Vosen aus Jun.-Prof. Wenzels Team.

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Links sieht man Fluoreszenz-markierte Zellen mit Nanopartikeln: Blau dargestellt sind die Zellkerne, grün die Fluoreszenzmarkierung, und die Nanopartikel in den Zellen sind mit Pfeilen markiert. Die mittlere Abbildung zeigt ein Blutgefäß, das mit diesen Zellen (grün) besiedelt wurde. Rechts eine Detailaufnahme einer Gefäßwand mit Markierung des eNOS-Proteins (rot). (Foto: Dr. Sarah Rieck / Dr. Sarah Vosen / Uni Bonn)

Ein Magnet bringt die Nanopartikel zum gewünschten Ort
Zusammen mit dem Gen schleusten die Wissenschaftler auch noch wenige hundert Nanometer winzige Nanopartikel mit einem Eisenkern ein. „Das Eisen ändert die Eigenschaften der Endothelzellen: Sie werden magnetisch“, erläutert Dr. Sarah Rieck vom Institut für Physiologie I der Universität Bonn. Die Nanopartikel sorgen dafür, dass sich die mit dem „Turbo“-Gen versehenen Endothelzellen mit einem Magneten an die gewünschte Stelle im Blutgefäß bringen lassen, wo sie ihre heilende Wirkung entfalten. Forscher der TU München haben eigens hierfür einen ringförmigen Magnetaufbau entwickelt, der dafür sorgt, dass die mit Nanopartikeln bestückten Ersatzzellen das Blutgefäß gleichmäßig auskleiden.

Diese Kombinationsmethode testeten die Forscher an Mäusen, deren Endothelzellen in der Halsschlagader zugrunde gegangen waren. Sie spritzten die Ersatzzellen in die Ader und konnten diese mit dem Magneten an der richtigen Stelle platzieren. „Nach einer halben Stunde hafteten die Endothelzellen so fest an der Gefäßwand, dass sie vom Blutstrom nicht mehr weggespült werden konnten“, sagt Jun.-Prof. Wenzel. Die Wissenschaftler entfernten daraufhin den Magneten und testeten, ob die frischen Zellen in vollem Umfang ihre Funktion aufgenommen hatten. Wie gewünscht, produzierten die neuen Endothelzellen Stickstoffmonoxid und weiteten dadurch das Gefäß, wie es auch bei gesunden Schlagadern üblich ist. „Die Maus erwachte aus der Narkose und hat ganz normal gefressen und getrunken“, berichtet die Physiologin.

Übertragung auf den Menschen erfordert weitere Forschung
Normalerweise entfernen Ärzte Gefäßablagerungen in der Halsschlagader chirurgisch und platzieren teils noch eine Gefäßstütze, um den Engpass in der lebenswichtigen Blutzufuhr zu beheben. „Doch häufig setzen sich diese Bereiche danach erneut wieder mit Ablagerungen zu“, berichtet Jun.-Prof. Wenzel. „Wir packen dagegen das Übel an der Wurzel und stellen den ursprünglichen Zustand gesunder Endothelzellen wieder her.“ Was an der Maus funktioniert, sei prinzipiell auch beim Menschen möglich, hoffen die Wissenschaftler. Allerdings seien noch viele Herausforderungen zu meistern. Jun.-Prof. Wenzel: „Es besteht noch erheblicher Forschungsbedarf.“

Die Studie wurde im Rahmen der NRW Nachwuchsgruppe „Magnetische Nanopartikel (MNPs)-Endothelzellersatz in geschädigten Gefäßen“ und der DFG Forschergruppe 917 „Nanoguide“ gefördert.

Publikation:
Vascular repair by circumferential cell therapy using magnetic nanoparticles and tailored magnets, Fachjournal „ACS NANO“, DOI: 10.1021/acsnano.5b04996.

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