Studies on selective tumor therapy using laser irradiated gold nanoparticles.

Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer neuen Methode zur selektiven Schädigung von Krebszellen. Die Wechselwirkung von Laserstrahlung mit zellmembrangebundenen Goldnanopartikeln erlaubt ausgewählte Zellen gezielt zu zerstören, ohne die Umgebung zu schädigen. Eine selektive Zerstörung von Zellen sowie eine vorübergehende Permeabilisierung der Zellmembran konnte in verschiedenen Zellkulturexperimenten gezeigt werden und soll nun in einem Mausmodell in vivo untersucht werden. Um die Tumorzellen zu adressieren, werden die Goldpartikel an Antikörper oder andere Moleküle gekoppelt, die spezifisch ein Membranprotein der Zielzellen erkennen. Nach Injektion der Nanokonjugate und Extravasation ins Tumorgewebe, bzw. lokaler Applizierung direkt in den Tumor, soll zunächst die Lokalisation der Konjugate an den Tumorzellen mittels histologischer Verfahren überprüft werden. Zur Bestrahlung der Tumore wird kontinuierliche sowie gepulste Laserstrahlung verwendet und die Auswirkungen der Bestrahlung auf Zellebene sowie auf das Wachstum der Tumore untersucht. Die Spezifität und Effektivität soll mit der Photodynamischen Therapie (PDT, konventionelle und Antikörper vermittelte PDT) verglichen werden. Im Rahmen dieses Projektes soll auch die Permeabilisierung der Zellmembran in vivo untersucht werden, mit dem Ziel Fremdmoleküle, wie z.B. DNA, spezifisch in die anvisierten Zelltypen einbringen zu können.

Ziel des Projektes war es mit Hilfe von laserbestrahlten Goldnanopartikeln in vitro und im Mausmodell gezielt Tumorzellen zu eliminieren und die Ergebnisse mit photochemischvermittelten Effekten wie sie bei der Photodynamischen Therapie (PDT) klinisch zum Einsatz kommen zu vergleichen. Für das Projekt wurden Goldnanorods (GNR) verwendet, die mit einer Dimension von 10 x 40 nm ein Absorptionsmaxima bei 520 nm und 800 nm aufweisen. Nach Antikörper-Beschichtung konnte eine spezifische Bindung der Rods an die Zellmembran der entsprechenden Zelllinie demonstriert werden. Es zeigte sich jedoch, dass die GNRs nach Laserbestrahlung bei 800 nm nur sehr limitierte Zytotoxizität aufweisen. Wurden die Konjugate hingegen bei 532 nm bestrahlt, führte dies sehr effektiv zum Verlust der Zellvitalität. Der Grund hierfür konnte in einer Formveränderung der GNR während der Bestrahlung zu runden Partikeln gefunden werden. Die Laserbestrahlung führte durch die entstandene Absorptionshitze wahrscheinlich zu einem Schmelzen der Partikel. Dies konnte durch Transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Aufnahmen und Absorptionsmessungen nach Bestrahlung gezeigt werden. Auch wenn eine Bestrahlung bei 532 nm in Zellkultur zur effektiven Zelleliminierung führte, schien eine weitere Verfolgung dieses Ansatzes im Mausmodell wegen der Gewebeabsorption als wenig vielversprechend. Für einen Einsatz in vivo, tierexperimentell oder klinisch, sollten Goldpartikel oder Farbstoffe ihr Absorptionsmaximum im Wellenlängenbereich geringer Gewebeabsorption und -streuung besitzen, da das Bestrahlungslicht hier eine bessere Eindringtiefe besitzt. Dafür bietet sich vor allem der langwellige Bereich von ca. 600 nm bis 1200 nm an, da hier so gut wie keine endogenen Stoffe mehr absorbieren, und die Wasserabsorption ebenfalls gering ist. Ein neuartiger Ansatz für Antikörper-vermittelte PDT, der ursprünglich als photochemischer Vergleichsansatz geplant war, lieferte jedoch sehr erfolgreiche Ergebnisse. Es gelang proliferierende Tumorzellen über gezielte Inaktivierung des Proliferationsmarkers Ki-67 zu eliminieren. Hierfür wurden fluoreszenzmarkierte Antikörper gegen pKi-67 mit Hilfe einer liposomalen Einkapselung in das Zytoplasma von Tumorzellen eingeschleust. Nach Freisetzung der Antikörper binden diese im Zellkern an das Ki-67 Protein und anschließende Laserbestrahlung führte zum Zelltod. Nicht-proliferierende Zellen, bei denen die Ki-67 Expression heruntergeregelt ist, zeigten keinen Rückgang der Zellvitalität. Die Folgen der Ki-67 Inaktivierung konnten in einem 3D-Ovarialkarzinommodell demonstriert werden. Dieses Modell bildet kleine sphäroide Zellstrukturen aus, ähnlich den Mikrometastasen, wie sie verstreut in der Bauchhöle von Ovarialkarzinompatienten vorhanden sind. Nach Inaktivierung von pKi-67 zeigten Zeitraffer-Aufnahmen über 72 Stunden ein Aufbrechen der dreidimensionalen Struktur dieser Sphäroide und ein hoher Anteil an toten Zellen konnte nachgewiesen werden. Zusammengefasst konnte ein potentieller therapeutischer Nutzen einer Licht vermittelten pKi-67 Inaktivierung demonstriert werden.