In dieser beschrieb er erste Ansätze, wie Technologien im Nanomaßstab funktionieren könnten, und gilt damit als Begründer und Visionär der Nanotechnologie. Es sollte jedoch noch Jahrzehnte dauern, bis Forschung und Technik tatsächlich in den Nanometerbereich vorstoßen konnten.
Ein Nanometer (nm) ist ein milliardstel Meter (10-9 Meter). Betrachtet man biologische Prozesse auf der Ebene einzelner Zellen, wird diese Maßeinheit verwendet. So hat zum Beispiel die DNA-Doppelhelix einen Durchmesser von 2 nm und die kleinsten zellulären Organismen, Mycoplasma-Bakterien, sind 200 nm lang. Wenn es gelingt, Technologien auf Nanoebene zu entwickeln, die medizinisch eingesetzt werden, könnte dies die Medizin grundlegend verändern. Denkbar sind Roboter, kaum größer als Blutkörperchen oder Bakterien, die sich im Körper bewegen und gezielt Krankheiten bekämpfen.
Offene Fragen
Diese Vorstellung dürfte bei vielen erst einmal ein mulmiges Gefühl auslösen. Es drängen sich einige Fragen auf: Wie kommen die Roboter in den Körper? Woher wissen sie, wo sie hinsollen und was sie tun sollen? Wie kann man sie kontrollieren? Und nicht zuletzt: Wie wird man sie wieder los? Fragen, an deren Beantwortung weltweit viele Forschungsgruppen arbeiten und in die Millionen investiert werden.
Trotz großer Fortschritte in den vergangenen Jahrzehnten bestehen in der Medizin immer noch bestimmte Grenzen, die bisher nicht überschritten werden können. Diese sind zum Teil darin begründet, dass die Therapie beziehungsweise Begutachtung von Schäden im Körper immer von außen erfolgen muss. So werden bei Operationen gesunde Gewebeschichten verletzt. Manche Bereiche des Körpers können nur sehr schwer oder mit sehr großem Risiko chirurgisch erreicht werden. Bildgebende Verfahren wie Röntgen oder Sonografie vermitteln nicht invasiv Bilder vom Inneren des Körpers. Trotz modernster Technik hat diese Draufsicht ihre Grenzen.
Ein Problem besteht auch beim Gehirn, das die Blut-Hirn-Schranke gegen Einflüsse von außen abschottet und das daher schlecht durch Medikamente erreicht werden kann. Ein weiteres ungelöstes Problem ist, dass in der Krebstherapie durch Chemo- oder Strahlentherapie große Mengen gesunder Zellen in Mitleidenschaft gezogen und nicht selten vernichtet werden, was zu starken Nebenwirkungen führt.
Es ist leicht vorstellbar, dass einige medizinische Probleme mithilfe von Nanorobotern, die im Körper selbst arbeiten, lösbar wären. Der Bau von Nanorobotern ist allerdings nicht trivial. Forscher versuchen sich an zwei verschiedenen Ansätzen, der Top-down- und der Bottom-up-Methode. Bei Top-down wird versucht, bereits bestehende, funktionierende Roboter so weit zu verkleinern, dass sie für den medizinischen Einsatz infrage kommen. Bei der Bottom-up-Methode hingegen werden die Roboter von Grund auf, also aus einzelnen Molekülen aufgebaut. Einen Überblick über diese Ansätze gab Ajinkya Bhat 2014 im »International Journal of Engineering and Management Sciences« (5 (1); 44-49).
Entsprechend sehen die Nanoroboter, die sich zurzeit in der Erprobung befinden, sehr unterschiedlich aus. Dazu kommt, dass für jedes medizinische Problem eigene Nanoroboter entwickelt werden müssen, die speziell auf den entsprechenden Einsatz zugeschnitten sind.
Vorbilder aus der Natur
Manche Herausforderungen beim Design von Nanorobotern sind jedoch eher universell: Fortbewegung, Energieversorgung und Zielerkennung sind nur drei der zu lösenden Aufgaben. Die Fortbewegung in Flüssigkeiten wie Wasser erscheint einfach zu lösen, auf Nanometerebene gibt es jedoch große Reibungswiderstände, und im Körper kommt noch der gerichtete Blutstrom dazu.
Die vielversprechendsten Ansätze sind aus der Natur entlehnt. So entwickelte eine Forschergruppe des Max-Planck-Instituts für intelligente Systeme in Stuttgart, der Technischen Universität Dortmund und des Technion in Israel unter der Leitung von Professor Dr. Peer Fischer einen muschelförmigen Roboter, dessen Fortbewegung durch das Öffnen und Schließen der »Muschelschalen« bewerkstelligt wird. Dieses Modell, das nur wenige hundert Mikrometer groß ist, wird über ein externes Magnetfeld kontrolliert. Im Gegensatz zu reinem Wasser verändern viele Körperflüssigkeiten ihre Viskosität je nach Bewegungsgeschwindigkeit. Durch ein asymmetrisches Bewegungsmuster des Muschelroboters konnte diese Eigenschaft nutzbar gemacht werden. Auf eine schnelle Öffnung folgt ein langsames Schließen der Schalen, was zu einer Veränderung der Viskosität der umgebenden Flüssigkeit führt. Damit kommt die Mikromuschel mit jedem Zyklus ein Stückchen vorwärts und kann mithilfe des externen Magnetfelds navigiert werden, berichteten die Forscher um Fischer 2014 in »Nature Communications« (DOI: 10.1038/ncomms6119).
Auch der Antrieb mit rotierenden Zilien oder Flagellen, abgeschaut bei verschiedenen Bakterien, kommt infrage und wird untersucht. An der Technischen Hochschule Zürich und dem Stuttgarter Max-Planck-Institut werden nachgebaute Nanoschrauben mit magnetischen Substanzen beschichtet und durch angelegte rotierende Magnetfelder in Bewegung versetzt. Erste Tests im lebenden Organismus gab es bereits.
So stellten die Forscher um Franziska Ullrich von der ETH Zürich eine Operation des Auges mit Mikroroboter-Unterstützung bei einem lebenden Hasen nach. Der knapp 2 mm lange Mikroroboter kann ins Auge injiziert, ebenfalls durch ein Magnetfeld gesteuert und schließlich wieder entfernt werden, berichteten die Forscher 2013 im Fachjournal »Investigative Ophthalmology and Visual Science« (DOI: 10.1167/iovs.13-11825). Denkbare Einsatzgebiete sind der zielgerichtete Transport von Wirkstoffen zu bestimmten Strukturen im Auge, etwa bei der Therapie von Makulopathien, oder die Applikation von Antikoagulanzien zur Auflösung von Blutgerinnseln in der Netzhaut.
Züge im Miniformat
Neu ist auch ein Konzept der Drexel Universität in Philadelphia, deren Wissenschaftler um Professor Dr. Min Jun Kim kugelförmige, magnetische Nanoroboter entwickelt haben, die sich wie Perlenschnüre reversibel zusammenfügen lassen. Die Geschwindigkeit der winzigen Züge ist dabei von ihrer Länge abhängig: längere Aggregate bewegen sich schneller als kurzkettige Versionen. Auch bei dieser Methode werden externe Magnetfelder verwendet, um die kleinen Roboter zu steuern, sie zusammenzufügen oder auch einzelne Elemente wieder zu entfernen.
Die Wissenschaftler um Kim halten die Kontrolle und Energieversorgung mithilfe magnetischer Felder für besonders vielversprechend, da Magnetfelder große Reichweiten besitzen und sich mit ihrer Hilfe enorme Mengen von Energie einfach transferieren lassen. Die Auswirkungen der Magnetfelder auf den Körper sind nur minimal, schreiben die Forscher in diesem Jahr in »Scientific Reports« (DOI: 10.1038/srep30472). Die perlenförmigen Nanoroboter seien das erste Modell, das derart flexibel im Inneren des Körpers verändert werden könne und sich somit sowohl für minimalinvasive Operationen als auch zur Medikamentenbeförderung eigne. Eine Erprobung zunächst im lebenden Organismus und in klinischen Studien steht jedoch noch aus.
Origami aus DNA
Ein ebenso vielversprechender Ansatz ist, Nanobots aus unschädlicher Viren-DNA zu bilden, was als DNA-Origami bezeichnet wird. Im Fachjournal »Science« berichteten Professor Dr. George M. Church und sein Team 2012 über solche Nanobots, die in der Blutbahn zirkulieren und gezielt Krebszellen erkennen und zerstören können (DOI: 10.1126/science.1214081). Dabei befinden sich im Inneren der Nanobots Medikamente, die bei Kontakt mit Krebszellen freigesetzt werden können. Der Nanobot besitzt hierfür Aptamere (kurze Nukleotidstränge mit einer speziellen Sequenz), die Moleküle auf der Tumorzelle erkennen. Bei Kontakt verändern sie ihre Konformation und setzen daraufhin ihre Fracht aus dem Hohlraum im Innern frei.
Mit dieser Methode könnte es möglich sein, die Zerstörung gesunder Zellen und des Immunsystems bei Krebspatienten weitestgehend zu verhindern und damit die Prognose und die Lebensqualität während der Behandlung zu verbessern. Inzwischen sind diese Nanobots in der Lage, bis zu zwölf verschiedene Krebsarten zu erkennen.
Wieder entfernen
Die kleinen Roboter werden mithilfe von Magneten wieder aus dem Körper entfernt. Es werden aber auch Nanobots aus biologisch abbaubaren Materialien, wie etwa DNA, getestet. Bisher sind die genannten Nanobots noch nicht fit für einen Einsatz im Menschen. Einige Herausforderungen müssen noch gelöst werden, bevor mit klinischen Studien begonnen werden kann. Aber Forscher in aller Welt sind sich einig, dass Nanobots das Potenzial haben, die Medizin in den kommenden zwei Dekaden zu revolutionieren.
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