Grundlagenwissenschaft

[Arbeitsprobe]:

Mit organischen Molekülen den menschlichen Körper verkabeln

Neue Materialien könnten künftig helfen, Strom von Implantaten zu übertragen

Von Thomas Meißner

Es hört sich an wie Science fiction: Hauchdünne Elektroleitungen werden in den Körper implantiert. Leitungen, wie sie vielleicht Menschen am Herzen brauchen, die heute auf Herzschrittmacher angewiesen sind, oder Menschen mit verletztem Rückenmark, die Beine und Arme wieder bewegen wollen. Jedoch handelt es sich nicht um Drähte, sondern um organische Moleküle, dünner als ein Haar. Genau so ein Material haben Wissenschaftler der Johns Hopkins Universität in Baltimore, Maryland, entwickelt.

John D. Tovar vom Department of Chemistry der Universität und seine Kollegen haben kleine Eiweißmoleküle dazu gebracht, sich in flüssiger Umgebung selbstständig zu eindimensionalen optoelektronischen Nanostrukturen zu organisieren. Diese Nanostrukturen seien attraktive Bausteine für optische oder elektronische Anwendungen in biologischer Umgebung, sagen sie.

Im Unterschied zu herkömmlichen Elektrokomponenten wie Metallleitungen oder Silizium-Halbleitern handelt es sich bei dem in Baltimore entwickeltem Material um eine „weiche“ elektronische Alternative: superleicht, flexibel und mit dem bloßem Auge nicht zu erkennen. Der Durchmesser der Strukturen liegt zwischen 10 und 50 Nanometer (1 nm = ein milliardstel Meter) und ist damit 10.000 Mal dünner als ein menschliches Haar. Diese ultrafeinen Strukturen sollen künftig Elektrizität übertragen können, so die Hoffnung, und für bioelektronische Anwendungen taugen.

Ziel ist es, elektronische Geräte im Nanomaßstab zu entwickeln. Dem sind Tovar und seine Mitarbeiter einen Schritt näher gekommen. „Das Aufregende an unseren Materialien ist, dass ihre Größe geeignet erscheint, um Zellen miteinander verbinden zu können“, sagt Tovar. Es geht um Zell-zu-Zell-Kommunikation. Dass für diese Kommunikationsprozesse ausgerechnet eine der größten Plagen des alternden Menschen, die Alzheimer-Demenz, das Modell abgibt, erscheint kurios. Denn das Team um Tovar nutzte für ihre wissenschaftliche Arbeit das Wissen um die Aggregationsprozesse bei der Formation der Beta-Amyloid-Plaques von Alzheimer-Patienten, jener Ablagerungen also, die für die Abnahme der Hirnleistung verantwortlich gemacht werden. „Diese Aggregate sind auf Molekularebene erstaunlich geordnet. Viele Forscher haben sie nachgebildet, um stabile Peptid-basierte Biomaterialien herzustellen“, sagt Tovar. Diese Ordnung innerhalb der Plaques schien den Wissenschaftlern ideal geeignet zu sein, um ein Material mit Halbleiter-ähnlichen Eigenschaften zu generieren.

Die Wissenschaftler haben Peptidketten mit organischem Material fusioniert, das die Eigenschaften elektrischer Halbleiter besitzt. Voraussetzung für diese Halbleitereigenschaften sind pi-Bindungen. Über diese Bindungen kann bei genügend hoher Teilchendichte Ladung übertragen werden. Erforderlich ist zudem eine Umgebung, in der sich die Moleküle sozusagen von selbst zu den organischen Elektroleitungen anordnen können. Tovar und seinen Kollegen ist es gelungen, ein stabiles Gel zu schaffen, in dem diese Prozesse stattfinden. Zudem hat das Material interessante optische Eigenschaften, die bei künftigen Anwendungen eine Rolle spielen könnten.

Über konkrete Nutzungsoptionen in der Zukunft will Tovar jedoch noch nicht sprechen, auch aus patentrechtlichen Gründen. Auf Nachfrage gibt er jedoch an, dass man neuronale und kardiale Strukturen mit Hilfe extern verabreichter elektrischer Stimuli ansteuern möchte. Unklar ist außerdem, auf welche Weise organische Halbleiter so in den Körper eingebracht werden, dass sie mit den gewünschten Zellen kommunizieren oder Kommunikation zwischen biologischen Zellen ermöglichen. Und zwar dauerhaft und ohne dabei selbst abgebaut zu werden.

Nanokosmos breitet sich aus

Die Nanotechnologie gilt als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Man geht davon aus, dass sie in der Chemie und Werkstofftechnik, in der Biotechnologie, Pharmazie und Medizintechnik, aber auch zur Energiegewinnung und Energiespeicherung oder für den Umweltschutz eingesetzt werden kann. Immer wieder wird jedoch auch auf mögliche (gesundheitliche) Gefahren bestimmter nanotechnologischer Produkte hingewiesen, die weitgehend unerforscht sind.

Der Begriff „Nanotechnologie“ umfasst den Umgang mit Strukturen und Systemen, die in wenigstens einer Dimension (Länge, Breite, Höhe) kleiner sind als 100 Nanometer (nm). Aus dieser Winzigkeit resultieren völlig andere physikalische und chemische Eigenschaften als man sie von großen Objekten kennt. Bereits heute wird die Nanotechnologie in verschiedenen Bereichen angewendet, zum Beispiel im Automobilbau für das Antireflexglas im Armaturenbrett oder für korrosionsgeschützte Motorkomponenten.

In der Medizin wird Nanotechnologie in miniaturisierten Diagnosesystemen eingesetzt (Lab-on-a-Chip) oder für Katheter mit antibakterieller Oberflächenbeschichtung. Nanoteilchen-Dispersonen werden Patienten mit bösartigen Hirntumoren injiziert, wo sich die Teilchen anreichern. Dies verstärkt die Effekte, zum Beispiel der kombinierten Magnetfeldhyperthermie-/Bestrahlungstherapie.

Künftig sollen mit Nanoteilchen Arzneimittel gezielt zum Ort der Erkrankung transportiert werden. Man hofft, die biologischen Vorgänge vieler Krankheiten mit Hilfe der Nanotechnologie künftig besser verstehen und Krankheiten früher diagnostizieren zu können als heute. TM

erschienen in: Tages-Anzeiger (Zürich) am 23. Juli 2009