Magnetische Nanopartikel in der Medizin

Magnetische Nanopartikel sind meist winzige Eisenoxidkristalle, die sich mit einem Magneten bewegen, festhalten oder zum Schwingen bringen lassen. In der Medizin nutzt man das auf vier Wegen: zum Herausfischen von Zellen und Molekülen aus Proben, als Eisenpräparate, als Kontrastmittel in der Bildgebung und als Wärmequelle in der Hyperthermie. Möglich macht das eine Eigenschaft, die nur im Nanobereich auftritt: der Superparamagnetismus.

Woraus magnetische Nanopartikel bestehen

Für biomedizinische Zwecke werden fast immer Eisenoxide verwendet, vor allem Magnetit (Fe₃O₄) und Maghemit (γ-Fe₂O₃). Sie sind magnetisch gut ansprechbar, chemisch stabil und können vom Körper abgebaut werden. Metallische Partikel aus Eisen, Kobalt oder Nickel sind zwar stärker magnetisch, oxidieren aber leicht oder sind biologisch problematisch und spielen in der Medizin kaum eine Rolle.

Ein typisches Partikel besteht aus einem Eisenoxidkern von einigen bis etwa 20 Nanometern und einer Hülle. Die Hülle aus Dextran, Carboxydextran, Stärke, Polyethylenglykol, Silica oder Fettsäuren hält die Partikel in Wasser verteilt, schützt den Kern und bietet Anknüpfungspunkte für Antikörper oder andere Moleküle. Mehrere Kerne können auch in eine größere Polymer- oder Silicakugel eingebettet sein. Solche Kompositpartikel, häufig als Magnetic Beads bezeichnet, reichen bis in den Mikrometerbereich.

Superparamagnetismus: der entscheidende Effekt

Ein größeres Stück Eisenoxid besteht aus vielen magnetischen Bereichen, den Domänen. Wird ein Kristall sehr klein, passt nur noch eine einzige Domäne hinein. Unterhalb einer weiteren, materialabhängigen Größe, für Magnetit grob im Bereich von 20 bis 30 Nanometern, reicht die Wärmeenergie bei Raumtemperatur aus, um die Magnetisierung des Partikels ständig umklappen zu lassen. Nach außen mittelt sie sich zu null.

Daraus folgen zwei praktische Vorteile:

1. Starke Reaktion im Feld: Legt man ein Magnetfeld an, richten sich die Partikel aus und lassen sich bewegen oder festhalten.
2. Keine Restmagnetisierung: Ohne Feld ziehen sich die Partikel nicht gegenseitig an. Sie bleiben vereinzelt, lassen sich nach dem Abtrennen wieder aufschwemmen und verstopfen keine Kanäle oder Blutgefäße.

Warum die Größe so genau stimmen muss

Die Partikelgröße entscheidet über mehr als nur den Magnetismus. Zu kleine Kerne reagieren schwach auf ein Magnetfeld und lassen sich schlecht abtrennen. Zu große Kerne behalten eine Restmagnetisierung und neigen zum Verklumpen. Für die Separation im Labor werden deshalb oft viele kleine Kerne in einer größeren Kugel gebündelt, die stark auf den Magneten anspricht und trotzdem in Lösung bleibt. Für Anwendungen im Körper zählt zusätzlich der Gesamtdurchmesser mit Hülle, weil er bestimmt, wie lange Partikel im Blut bleiben und welche Organe sie erreichen.

Anwendungen im Überblick

Diagnostik und Labor: Separation mit dem Magneten

Das größte praktische Einsatzfeld liegt außerhalb des Körpers. Magnetische Partikel werden mit Antikörpern, Streptavidin, Oligonukleotiden oder einer Silicaoberfläche ausgestattet. Nach dem Mischen mit der Probe binden sie ihr Ziel, ein Magnet hält sie fest, und alle übrigen Bestandteile werden abgewaschen. Das ersetzt aufwendige Zentrifugations- und Säulenschritte und lässt sich gut automatisieren.

• Zellseparation: In Blut oder Gewebeproben werden bestimmte Zelltypen über Oberflächenmerkmale angereichert oder entfernt. Das ist in der Immunologie und bei der Herstellung von Zelltherapien verbreitet.
• Nukleinsäure-Extraktion: Silicabeschichtete Partikel binden DNA und RNA unter bestimmten Salzbedingungen. Viele Extraktionsautomaten in Diagnostiklaboren arbeiten nach diesem Prinzip.
• Immunassays: In automatisierten Analysegeräten tragen magnetische Partikel den Fängerantikörper. Zwischen den Waschschritten werden sie magnetisch fixiert, die Messung erfolgt oft über Chemilumineszenz. Das Grundprinzip entspricht dem Sandwich-Aufbau, der im Artikel über den ELISA erklärt ist.

Eisenpräparate: die stille Anwendung

Eine der verbreitetsten medizinischen Anwendungen nanoskaliger Eisenoxide wird selten so genannt: Intravenöse Eisenpräparate zur Behandlung von Eisenmangel bestehen aus einem Eisenoxid-Hydroxid-Kern mit einer Kohlenhydrathülle. Die Hülle sorgt dafür, dass das Eisen kontrolliert freigesetzt und vom Körper in seine Eisenspeicher übernommen wird. Diese Präparate werden unter ärztlicher Aufsicht verabreicht, weil seltene Überempfindlichkeitsreaktionen möglich sind.

Bildgebung: MRT und Magnetpartikel-Bildgebung

In der Magnetresonanztomografie stören Eisenoxidpartikel das lokale Magnetfeld und beschleunigen den Signalverlust benachbarter Wasserstoffkerne. Gewebe, das Partikel aufgenommen hat, erscheint im Bild dunkler. Da Fresszellen in Leber, Milz und Lymphknoten die Partikel aufnehmen, ließen sich damit zum Beispiel Leberveränderungen abgrenzen. Mehrere solcher Kontrastmittel wurden zugelassen, später aber aus wirtschaftlichen Gründen vom Markt genommen. Heute werden sie vor allem in Studien eingesetzt, etwa zur Darstellung von Entzündungen oder zur Verfolgung markierter Zellen.

Ein neueres Verfahren ist die Magnetpartikel-Bildgebung, englisch Magnetic Particle Imaging. Sie wurde 2005 erstmals beschrieben und bildet nicht Gewebe ab, sondern die Partikel selbst, mit hoher Empfindlichkeit und ohne Hintergrundsignal aus dem Körper. Das Verfahren wird vor allem präklinisch erforscht, zum Beispiel für die Darstellung von Blutgefäßen.

Magnetische Hyperthermie

In einem magnetischen Wechselfeld mit hoher Frequenz kehren die Partikel ihre Magnetisierung ständig um oder drehen sich in der Flüssigkeit. Dabei entsteht Wärme. Werden Partikel in einen Tumor eingebracht, lässt sich das Gewebe gezielt erwärmen, um es empfindlicher für Strahlen- oder Chemotherapie zu machen oder direkt zu schädigen. Das Verfahren ist überwiegend Gegenstand der Forschung, für einzelne Indikationen gab es in Europa einen klinischen Einsatz. Prinzip, Forschungsstand und Grenzen beschreibt der Artikel Magnetische Hyperthermie in der Krebsforschung.

Herstellung und Qualität

Eisenoxidpartikel entstehen meist auf zwei Wegen:

• Mitfällung: Eisen(II)- und Eisen(III)-Salze werden in basischer Lösung gemeinsam gefällt. Das Verfahren ist günstig und gut skalierbar, liefert aber breitere Größenverteilungen.
• Thermische Zersetzung: Eisenverbindungen werden in organischen Lösungsmitteln bei hohen Temperaturen zersetzt. Die Partikel sind sehr einheitlich, müssen danach aber in eine wasserlösliche Hülle überführt werden.

Für die Anwendung zählen Kerngröße, hydrodynamischer Durchmesser mit Hülle, magnetische Eigenschaften und Oberflächenladung. Gemessen werden sie mit Elektronenmikroskopie, dynamischer Lichtstreuung und Magnetometrie, wie auf der Seite Charakterisierung von Nanomaterialien beschrieben.

Verträglichkeit und offene Fragen

Eisenoxid ist im Vergleich zu vielen anderen Nanomaterialien gut untersucht. Nach der Aufnahme durch Fresszellen wird der Kern langsam abgebaut, das Eisen geht in den körpereigenen Eisenstoffwechsel über. Trotzdem ist die Verträglichkeit kein Selbstläufer: Die Dosis, die Hülle und der Ort der Anwendung entscheiden. Offene Forschungsfragen betreffen vor allem die gezielte Anreicherung im gewünschten Gewebe. Wie bei anderen Nanopartikeln landet ein großer Teil intravenös gegebener Partikel in Leber und Milz, nur ein kleiner Teil erreicht ein Zielgewebe wie einen Tumor. Mehr dazu auf der Übersichtsseite Nanomedizin.

Fazit

Magnetische Nanopartikel sind in der Medizin längst Alltag, nur meist unsichtbar: im Diagnostiklabor als Werkzeug zur Probenaufbereitung und in Eisenpräparaten. Ihre spektakuläreren Anwendungen in Bildgebung und Hyperthermie sind dagegen überwiegend Forschung. Der Superparamagnetismus verbindet alle diese Einsatzfelder, und er erklärt, warum die Größe der Partikel so genau kontrolliert werden muss. Einen Vergleich mit anderen Partikelklassen bietet die Übersicht Nanopartikel.