Implantierte Gold-Partikel arbeiten als Sensoren

14. Oktober 2021

Der Physiker Prof. Dr. Carsten Sönnichsen vom Department Chemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) entwickelt mit seinem Team neuartige Sensoren aus Gold-Nanopartikeln: Unter die Haut implantiert, signalisieren sie durch Farbwechsel, in welcher Konzentration bestimmte Stoffe im Körper zirkulieren.
 

Prof. Dr. Carsten Sönnichsen hält ein Gestell mit einer Reihe von Fläschchen in die Höhe. Ihr flüssiger Inhalt leuchtet in verschiedensten Tönen. "Vor weißem Hintergrund zeigen sie eine ganz andere Farbe als vor schwarzem", sagt der Physiker und demonstriert, was er meint: Aus Violett wird im Schatten Grün. Doch nicht nur der Farbton wechselt. Es wirkt, als würde sich die Konsistenz verändern: Was zuvor klar schien, schimmert mit einem Mal milchig.

"Jedes dieser Fläschchen enthält Gold-Nanopartikel", erklärt der Physiker. "Sie sind mit 50 bis 100 Nanometern so winzig, dass wir sie unter dem Mikroskop gerade noch erkennen. Es sind die kleinsten Dinge, die wir mit dem Auge sehen können. Ihre Farbe entsteht durch selektive Streuung einzelner Farben, nicht durch Absorption, wie meist üblich. Ein blauer Stoff zum Beispiel absorbiert alles Licht bis auf das Blaue, das er zurückwirft. Streuung dagegen kennen wir von Sonnenuntergängen, wenn die Sonne tief am Himmel rot aussieht. Unsere Goldpartikel entsprechen in ihrer Größe der Wellenlänge des Lichts, das bei ihnen ankommt. Sie sind ideal, um es aufzufangen. Sie sind wie Antennen für Licht."

Freie Hand, etwas Neues zu entwickeln

Sönnichsens Team benutzt diese Antennen, um implantierbare Sensoren zu bauen. Sie sollen im Körper kontinuierlich die Konzentration von bestimmten Stoffen messen und sich dort über Monate halten. Mit dieser hohen Lebensdauer übertreffen sie alles, was es bisher auf dem Gebiet der medizinischen Diagnostik gibt.

"Die Idee zu den Sensoren geht zurück auf meine Zeit als Postdoc am Lawrence Berkeley National Laboratory und meinem Abstecher in die Unternehmensberatung kurz zuvor", erinnert sich Sönnichsen. Das war ab 2002. Mit Nanopartikeln hatte er damals bereits seit Jahren gearbeitet. "Ich lernte eine Amerikanerin kennen, die eine Firma für implantierbare Sensoren gegründet hatte. Ich meinte: 'Mensch, ihr könntet doch Partikel verwenden.'" Ihre Firma allerdings erlebte gerade einige Turbulenzen und so schien sie nicht den Nerv für Neuerungen zu haben. "Meine Idee trug ich dann jahrelang mit mir herum."

Sönnichsen brachte sie mit nach Mainz, als er 2005 als einer der ersten Juniorprofessoren an die JGU kam, um eine Emmy-Noether-Forschungsgruppe für Nanobiotechnologie aufzubauen. Neun Jahre später machte er sich als ordentlicher Professor für Physikalische Chemie gemeinsam mit Dr. Thies Schröder und Dr. Katharina Käfer an die Arbeit: Nun sollten die Sensoren endlich Wirklichkeit werden. "Uns wurde viel Vertrauen entgegengebracht", sagt Sönnichsen. "Wir bekamen freie Hand, etwas Neues zu entwickeln. Das ist in der heutigen Forschungslandschaft keine Selbstverständlichkeit." Unter anderem unterstützt die Stiftung Rheinland-Pfalz für Innovation das Projekt.

Hydrogel trickst Körper aus

Von seinem Büro im Department Chemie führt Sönnichsen durch einige Gänge und einen Treppenaufgang ins Goldlabor. "Wir haben unsere Chemielabore nach Elementen benannt und unsere Messlabore nach Physikern", erklärt er. "Das prägt sich besser ein."

Im Raum selbst gibt es außer ordentlich aufgeräumten Arbeitsplätzen erst mal nicht viel zu sehen. Das ändert sich, als Katja Buder einen kleinen Behälter hervorholt. Die Chemie-Doktorandin übernahm die Nachfolge von Käfer im Team. Zu ihren Aufgaben gehört es, die Mini-Sensoren herzustellen und zu implantieren. Ein Exemplar schwimmt hier in klarer Flüssigkeit: Das Ganze passt bequem auf einen Fingernagel. Leicht ließe es sich mit einem quadratischen Stück Papier verwechseln, tatsächlich handelt es sich um ein spezielles Gel. Drei rosafarbene Streifen sind zu erkennen. Sie enthalten Milliarden der winzigen Gold-Nanopartikel.

"Prinzipiell könnten wir auch alternative Materialien wie Natrium oder Aluminium verwenden", meint Buder. "Aber die sind alle recht reaktiv oder oxidieren schnell. Gold dagegen ist sehr inert und damit ideal, um Sensoren zu bauen, die besonders langlebig sind." Die Langlebigkeit ist der springende Punkt: Herkömmliche Implantate müssen binnen weniger Tage ausgewechselt werden.

Die Goldpartikel allein allerdings reichen nicht. Unter die Haut verpflanzt, würden sie bald davongetragen werden. "Wir brauchen eine Art Gerüst, das sie am Ort hält", so Sönnichsen. "Also betten wir sie in ein grobporiges Hydrogel ein. In der Regel mag unser Körper Fremdes nicht: Er umkapselt es und isoliert es damit recht effektiv. Wir kennen das von Holzsplittern oder auch von gutartigen Tumoren." Solch eine Kapsel würde den Sensor unbrauchbar machen. "Die Poren in unserem Gel haben aber genau die richtige Größe, um winzige Adern hineinwachsen zu lassen. Wenn der Körper dann beginnt, den Sensor einzukapseln, bekommt er das nicht mehr richtig hin, weil die Äderchen bereits vorhanden sind."

Großer Fortschritt für medizinische Diagnostik

Noch ein letztes Element kommt hinzu: Die Gold-Partikel sind mit einem Rezeptor gekoppelt, der eine bestimmte Substanz bindet. Darauf wiederum reagieren die Partikel und ändern ihre Farbe. "Allerdings ist das mit bloßem Auge nicht zu sehen", schränkt Buder ein. "Es findet im Infrarot-Bereich statt, weil solche Wellen besser durch die Haut dringen. Wir können sie dann mit einer speziellen Kamera aufnehmen." Von den drei rosafarbenen Streifen auf dem Sensor ist nur der mittlere funktionsfähig, die anderen beiden dienen als Kontrollelemente.

"Im Moment arbeiten wir daran, verschiedene Rezeptoren für unterschiedliche Stoffe zu entwickeln", sagt Sönnichsen. Damit ausgerüstet, könnten Gold-Nanopartikel die Konzentration verschiedenster Stoffe im Körper messen. Sie könnten auf Psychopharmaka reagieren – oder auf Insulin, was für Diabetiker eine große Erleichterung wäre. Mit einem jeweils entsprechenden Rezeptor ließe sich eine Unzahl an Substanzen ausmachen. Sönnichsens Sensoren könnten in der Medizin und der Pharmazie, bei der Therapie und in der Forschung zum Einsatz kommen. Das wäre ein großer Schritt nach vorn.

"Solch ein Projekt lebt davon, dass Sie ein kleines, engagiertes Team haben, bei dem jeder alles kann" betont Sönnichsen auf dem Weg zurück in sein Büro. "Wir lösen Probleme gemeinsam und über Fächergrenzen hinweg: Ich bin Physiker, Katja Chemikerin und Thies Schröder brachte sein Knowhow als Biologe ein. Wir alle lernen voneinander. Einerseits arbeiten wir mit absoluter Hochtechnologie, andererseits improvisieren wir und nutzen schon mal Nagellack als Kleber. Wir bauen viel an Geräten herum, das ist wie Lego für Erwachsene. Für so eine Arbeit brauchen Sie Tüftlerinnen und Bastler. Bisher konnten wir zum Glück immer die richtigen Leute begeistern."

Bis zu 50 Tage lang hat solch ein neuartiger Goldpartikel-Sensor bisher ununterbrochen und höchst präzise gearbeitet. Doch für Sönnichsen ist dies mitnichten das Limit. "Im Prinzip sehe ich keinen Grund, warum unsere Sensoren nicht ewig halten sollten."