Nanomedizin – Wunderwaffe oder Teufelswerk?

Auf der Nanoebene ist alles so klein, dass selbst winzigste Staubkörnchen die Ausmaße von gewaltigen Felsbrocken annehmen. Denn ein Nanometer (Nano = griechisch Zwerg) entspricht gerade einmal einem Milliardstel Meter oder einem Millionstel Millimeter. Als Nanomaterialien bezeichnet man Stoffe, die in einer oder mehr Dimensionen bis zu 100 Nanometer groß sind.

Ihre geringe Größe verleiht den Nanomaterialien besondere Eigenschaften, welche bereits seit Längerem für Gegenstände des täglichen Bedarfs genutzt werden. So sind nanoskalige Elemente inzwischen in Reinigungsmitteln, Sonnencremes und Kosmetika enthalten, aber auch in antibakteriellen Deosocken, Klebstoffen und selbstreinigenden Fenstern. Auch in der Medizin haben sie sich inzwischen ihren festen Platz erobert. Dieser Einsatz birgt – neben den erhofften Vorteilen – jedoch zugleich zahlreiche Risiken. 

Stoffe in Nanoform haben aufgrund ihrer äußerst kleinen Partikelgröße grundlegend veränderte physikalisch-chemische Eigenschaften. Im Vergleich mit größeren Partikeln gleicher chemischer Zusammensetzung zeichnen sie sich durch eine höhere chemische Reaktivität, eine größere biologische Aktivität und ein stärkeres katalytisches Verhalten aus. Der Grund dafür liegt darin, dass Nanostoffe bei gleichbleibendem Gesamtvolumen eine deutlich vergrößerte Oberfläche besitzen. Dieser besondere Charakter macht die Nanoteilchen auch für den Gesundheitssektor interessant. So gibt es inzwischen einen eigenen Bereich in der Medizin, den man als Nanomedizin bezeichnet. Darunter versteht man die Anwendung der Nanotechnologie für die Diagnose, Überwachung und Vorbeugung von Erkrankungen. 

Einsatzmöglichkeiten in der In-vitro- und In-vivo-Diagnostik

In der Diagnostik werden Nanotechnologien eingesetzt, um In-vitro-Analysen (außerhalb des lebenden Organismus) von Proben durchzuführen, für die normalerweise ein ganzes Labor notwendig wäre. Geringste Mengen von Körperflüssigkeit reichen aus, um mithilfe von sogenannten Lab-on-a-chip-Verfahren standortunabhängig und dezentral verschiedene Diagnoseschritte vorzunehmen. Außerdem können Bio-Marker durch bildgebende Verfahren in vivo (im lebenden Organismus) gemessen werden, wobei Nanopartikel als Kontrastmittel genutzt werden. So lassen sich beispielsweise kleine Tumoren durch die Magnetresonanztomografie visualisieren, indem mag-netische Eisenoxid-Nanopartikel verwendet werden, die an Trägern befestigt werden.

Breites Spektrum an therapeutischen Möglichkeiten

Zu den therapeutischen Einsatzgebieten der Nanotechnologie gehören

• Transportsysteme, die der Verteilung von Wirkstoffen im Körper dienen (Nano Delivery Systems): Indem die Nanomaterialien den Wirkstoff mit winzig kleinen Schutzhüllen umgeben, wird dieser so geschützt oder durch biologische Mimikry (Anpassung, Ähnlichwerden) „verkleidet“, dass er gezielt an seinen Bestimmungsort transportiert werden kann. Je nach Aufbau können Nanomaterialien biologische Barrieren wie Zellwände, die Magen-Darm-Wand oder die Blut-Hirn-Schranke überwinden. Nanomaterialien können zudem dazu eingesetzt werden, die Oberflächenstruktur injizierter Substanzen so zu verändern, dass ihre therapeutische Wirksamkeit wesentlich verbessert wird. 
• Nanoskalige Versionen bestehender Medikamente: Während Partikel mit einer wasserabweisenden Oberfläche schnell vom Immunsystem erkannt und beseitigt werden, kann dieser Prozess umgangen werden, indem die Partikel mit Molekülen beschichtet werden, die vom Immunsystem nicht als fremd erkannt werden. Dies geschieht beispielsweise, indem schwer wasserlösliche Medikamente entsprechend umhüllt werden. Liposomen, die in der Krebstherapie Verwendung finden, werden durch eine spezielle Beschichtung so verändert, dass sie sich in den Tumoren anreichern und dort gezielt ihre Wirkung entfalten können. 
• Regenerative Medizin: Nanostrukturierte Oberflächenbeschichtungen an Zahnimplantaten führen zu einer verbesserten Härte und Stabilität und ermöglichen eine verbesserte Haftung an Gewebe und Knochen. Dabei spielt vor allem nanokristallines Hydroxylapatit eine wichtige Rolle, das den mineralischen Bestandteilen der Knochen sehr ähnlich ist und daher auch nach chirurgischen Eingriffen als Knochenersatzmaterial eingesetzt wird. Knochenbildende Zellen können später einwandern und die Knochenersatzmasse nach und nach durch natürlichen Knochen ersetzen. 
• Thermotherapie: Nanopartikel werden in die Blutgefäße von Tumoren eingeschleust, wo sie über Licht-, Ton- und Magnetwellen aktiviert werden. Dies führt dazu, dass sie Wärme erzeugen und die Tumorzellen zerstören. 

Ein trojanisches Pferd?

Ihre Eigenschaft, biologische Barrieren zu überwinden, bringt zugleich zahlreiche Risiken mit sich, deren Ausmaß sich bislang kaum überblicken lässt. So weiß man inzwischen, dass Nanopartikel die Luft-Blut-Schranke in der Lunge überwinden und sich über die Einatmung in Herz, Leber, Milz und möglicherweise auch anderen Organen ausbreiten können. Auch über die Haut und den Magen-Darm-Trakt ist eine Aufnahme möglich. Solche Risiken können sich z. B. dann ergeben, wenn während einer Zahnbehandlung gebohrt, gefräst und geschliffen wird und sich dabei im Material enthaltene Nanopartikel lösen und eingeatmet oder geschluckt werden. Ein weiteres Problem besteht darin, dass Nanomaterialien die Fähigkeit besitzen, Biomaterialien auf ihrer Oberfläche zu binden und so eine neue „biologische Identität“ annehmen können. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer Bio-Korona. Welche physiologischen Reaktionen sich daraus ergeben, ist bislang noch weitgehend ungeklärt.

Risiken für Mitarbeiter im Gesundheitswesen

Während die Nanomedizin in vielerlei Hinsicht Vorteile für den Patienten mit sich bringt, ist es äußerst ungewiss, welchen Gefahren Mitarbeiter im Gesundheitswesen ausgesetzt sind, die in irgendeiner Form mit Nanomaterialien in Kontakt kommen. Viele von den Betroffenen dürften sich nicht einmal klar machen, dass dies der Fall ist und unter Umständen gesundheitsschädigende Folgen haben kann. Kontaktmöglichkeiten entstehen z. B. dann, wenn Bereiche gereinigt werden, in denen Nanomedikamente eingesetzt werden, beim Umgang mit belasteten Instrumenten oder beim Verzehr von Lebensmitteln, die mit Nanomedikamenten in Berührung gekommen sind. Besonders hoch dürfte das Risiko für Mitarbeiter sein, die unmittelbar an deren Verabreichung beteiligt sind oder auf Stationen arbeiten, auf denen diese Verwendung finden. 

Was geschieht bei der Entsorgung?

Ein nicht zu unterschätzendes Problem ist auch die Entsorgung. Werden Nanomaterialien im Körper verstoffwechselt und wieder ausgeschieden, gelangen sie ins Abwasser und müssen dann von den Kläranlagen herausgefiltert werden. Dies ist nicht bei allen Kläranlagen im vollen Umfang möglich. Zudem besteht die Gefahr, dass antimikrobielle Substanzen wie Nano-Silber, das nicht nur in der medizinischen Wundversorgung, sondern auch in vielen Alltagsprodukten wie Kleidung oder Kosmetika Verwendung findet, Bakterien töten, die im Klärprozess eingesetzt werden. Außerdem wird der nach der Abwasserbehandlung zurückbleibende Klärschlamm häufig zum Düngen auf Feldern verwendet. Von dort können die Nanopartikel von Kulturpflanzen aufgenommen werden oder ins Grundwasser gelangen. Da zudem viele Nanoabfälle auf Deponien landen, könnten sie mit dem Sickerwasser in die Umwelt gelangen.

Umweltorganisationen wie der BUND fordern, dass Nanomaterialien aufgrund ihrer veränderten Eigenschaften wie Neustoffe behandelt werden und entsprechenden Kontrollen unterliegen sollten. Die Hersteller müssten entsprechend dem Vorsorgeprinzip beweisen, dass es sich um sichere Stoffe handelt. Der BUND fordert zudem, die Größenbeschränkung auf 100 Nanometer aufzuheben, da auch größere Partikel den Nanomaterialien vergleichbare Eigenschaften haben.

Eine EU-weite Registrierungs- und Kennzeichnungspflicht für Nanomaterialien wäre hilfreich

Nach der Europäischen Chemikalienverordnung REACH müssen Materialien nur dann registriert werden, wenn pro Jahr mindestens eine Tonne davon produziert wird. Für die meisten Nanomaterialien trifft dies nicht zu. Um eine bessere Erfassung zu ermöglichen, fordern verschiedene EU-Mitgliedsstaaten und Nichtregierungsorganisationen von der EU, eine Datenbank aufzubauen, in der alle Nanomaterialien und Produkte, in denen diese vorkommen, registriert werden. Aufgabe eines solchen Registers wäre es, transparent zu machen, welche medizinischen und anderen Produkte Nanomaterialien enthalten. Darüber hinaus könnten so mögliche gesundheitliche und ökologische Schädigungen durch Nanomaterialien überwacht werden. Das Wissen über deren Toxizität und Umweltverträglichkeit könnte erweitert und die gesamte Lieferkette zurückverfolgt werden. Frankreich hat 2013 als erstes Land ein Nanoregister eingeführt. Es erfasst alle Unternehmen, die Nanomaterialien in Mengen von mehr als 100 Gramm herstellen, einführen oder verwenden. 

Die EU-Kommission hat die Einführung eines verpflichtenden Informationsregisters für Nanomaterialien im April 2016 abgelehnt. Stattdessen wurde die Europäische Chemikalienagentur beauftragt, eine entsprechende freiwillige Plattform zu errichten.

von Klaus Bingler

aus ORTHOpress 1/17