Das Vorwort „nano“ ist vom griechischen „nanos“ mit der Bedeutung „Zwerg“ oder „zwergenhaft“ abgeleitet und weist schon darauf hin, dass hier von einer sehr kleinen Sache die Rede ist, denn nano bezeichnet den Faktor „ein Milliardstel“ (10 hoch -9). Wenn man bedenkt, dass ein Wasserstoffatom in seiner Grundstufe einen Durchmesser von ungefähr 10 hoch -10 Meter hat, dann beginnen Nanoteilchen in der Größenordnung von 10 Wasserstoffatomen. Da Lichtwellenlängen im Bereich von 400 Nanometern liegen, können Nanoteilchen nicht mit optischen Mikroskopen aufgelöst werden, wohl aber mit Elektronenmikroskopen. Nanopartikel bzw. Nanoteilchen sind also „Gebilde“ von einigen einzelnen bis hin zu einigen Tausend Atomen bzw. Molekülen.

Die große Hoffnung

Die sogenannten biomimetischen Materialien können möglicherweise antibiotikaresistente Erreger bekämpfen. Bestimmte Nanopartikel, die man in den Zellmembranen der roten Blutkörperchen einbringt, sind nach heutigem Kenntnisstand in der Lage, Toxine aus dem Körper zu transportieren und in diesem Kontext eine echte Heilung von schwerwiegenden bakteriellen Infektionen einleiten.

Am Institut für Nanoingenieurwesen der „University of CaliforniaSan Diego hat sich eine Forschergruppe unter der Leitung von Professor Liangfang Zhang genau mit derartigen Fragen auseinandergesetzt. Dabei wurde ein Verfahren entwickelt, das Gifte und Metabolite aus Stoffwechselprozessen von Bakterien nachweislich neutralisieren konnte, wobei es keine Rolle spielt, ob diese Bakterien bereits resistent sind gegen Antibiotika. Diese Methode lässt sich sogar ausdehnen auf das große Thema Antiserum z. B. bei Angriffen von Schlangen oder Skorpionen.

Das Forscherteam entwickelte Nanoschwämmchen, die gegen „Pore-forming Toxins (PFT)“ vorgehen, das sind Giftstoffe, die die Zellen dadurch töten, dass sie Löcher in die Zellwände reißen. Es handelt sich hierbei um sehr häufig vorkommende Proteintoxine, die von vielen verschiedenen Bakterien ausgeschieden werden, u. a. auch von Staphylococcus aureus, das bereits mehrere resistente Stämme (MRSA) insbesondere in Krankenhäusern ausgebildet haben.

Es gibt heute einen bunten Strauß von Therapiemöglichkeiten, die darauf abzielen, die Molekularstruktur der PFTs zu verändern. Damit wird die zelltötende Wirkung lediglich etwas reduziert. Das kann aber jeweils nur auf Basis einer individuellen Anpassung der Wirkstoffe auf die Tiergifte bzw. Bakterien funktionieren. Wir wissen heute, dass es mehr als 80 Familien schädlicher Proteine gibt. Die Nanoschwämmchen-Therapie hält sich mit ihrer Unterscheidung nicht weiter auf, sie neutralisiert sie einfach alle, erklärt Zhang.

Rote Blutkörperchen als Trojanisches Pferd

Die Forscher implantierten biokompatible Polymernanopartikel in rote Blutkörperchen. Jedes Einzelne davon liefert so viel Membranmaterial, dass man davon mehr als 3.000 Nanoschwämmchen mit einem Durchmesser von ca. 85 nm herstellen kann. Eine besondere Effizienz der Methode ergibt sich daraus, dass rote Blutkörperchen sozusagen ein primäres Angriffsziel der PFTs darstellen, und damit werden die Nanoschwämmchen geradezu zu Lockmitteln bzw. jedes rote Blutkörperchen zu einem Trojanischen Pferd. Aufgrund ihrer wirklich winzigen Dimension zirkulieren im Ergebnis viel mehr Nanoschwämmchen im Blutkreislauf als rote Blutkörperchen, und das erhöht die Wahrscheinlichkeit des Zusammentreffens von Nanoschwämmchen mit PFTs, die dann instantan neutralisiert werden.

In Tierversuchen mit Mäusen, denen eine tödliche Dosis eines Poren bildenden Giftes verabreicht wurde, wurde eindeutig bestätigt, dass durch diese neue Therapie die Überlebenschancen signifikant erhöht sind. Noch haben die US-Gesundheitsbehörden dem neuen Wirkstoff keine Zulassung erteilt. Erst wenn das geschehen ist, dürfen bakterielle Infektionen, insbesondere im Fall resistenter Stämme, damit behandelt werden. Immerhin wurde aber das Nanopolymer schon von der US-Gesundheitsaufsicht zugelassen, sodass die Forschergruppe um Zhang bald mit klinischen Studien beginnen kann.

Es gibt aber durchaus auch kritische Stimmen mit Blick auf den Einsatz von Nanopartikeln:

Werden Antibiotikaresistenzen erst durch Nanopartikel ausgelöst?

Die Nanotechnologie ist nämlich nicht unumstritten. Wir stehen erst ganz am Anfang der Forschung darüber, wie sich diese winzigen Partikel langfristig auf Gesundheit und Umwelt auswirken. Einige namhafte Wissenschaftler haben sogar Warnungen darüber ausgesprochen, dass solche Nanopartikel eine Antibiotikaresistenz bei Bakterien sogar erst befördern könnten. Erste Laborversuche haben diese These bereits bestätigt.

Da gibt es beispielsweise die Laboruntersuchung einer anderen Forschergruppe an der Universität Tianjin, die von Zhigang Quia geleitet wird (PNAS, online). Hierbei kam man zu dem Ergebnis, dass Nanopartikel aus Aluminiumoxid die Vermehrung von bakteriellen Resistenzgenen anheizen können. Das hängt damit zusammen, dass Bakterien ständig Gene untereinander austauschen, und dazu gehören auch DNA-Abschnitte, die Informationen über Resistenzen gegen Antibiotika enthalten.

Nanopartikel aus Eisen-, Titan- und Siliziumoxid haben sich im Rahmen der Versuchsreihen als weniger bedenklich erwiesen. Beim Aluminiumoxid tauchten Resistenzgene von E. coli Bakterien sehr viel häufiger in Salmonellen auf, als es die Erwartungswerte vorgaben.

Dazu muss man wissen, dass gerade Nanoteilchen aus Aluminiumoxid besonders weit verbreitet sind. Sie kommen z. B. in Lacken und Farben oder Schleif- und Poliermitteln vor. So können sie über die Abwässer in die Kläranlagen gelangen. Klärschlämme werden zu Düngemittel weiterverarbeitet und gelangen so auf die Felder und damit in die Nahrungsketten.

Es ist schon lange bekannt, dass man die Ergebnisse von Laborversuchen nicht so einfach auf die Natur übertragen kann. Bei den Nanoteilchen fallen die Konzentrationen in der Natur deutlich geringer aus, als in den bisherigen Laborversuchen. Man würde hier also Äpfel mit Birnen vergleichen. Der Toxikologe Harald Krug von der „Empa“ (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt in St. Gallen) erklärt dazu, dass Nanometalloxide unter natürlichen Bedingungen (Temperatur, Feuchte) meistens zum Zusammenklumpen neigen. In der Folge können sie ihre angestammte Mission aufgrund ihrer eigentlich winzigen Dimension in der normalen Umwelt gar nicht mehr erfüllen.