Winzige Magnete im Kampf gegen Krebs
Auf Größe und Form kommt es an: Sei es für ein Kind, das versucht, den richtigen Klotz in die entsprechende Öffnung eines Formen-Sortierspiels zu stecken, oder für Forscher*innen, die mit magnetischen Nanopartikeln arbeiten. Diese Teilchen sind zwischen 10 und 100 Nanometer groß und damit mindestens zehn Millionen Mal kleiner als ein Meter. So wie ein Kind die richtige Form beim Sortierspiel findet, kombinieren die Forscher*innen wiederholte Experimente und sorgfältige Analysen, um die optimale Form und Größe der magnetischen Nanopartikel zu bestimmen, damit sie durch Blutgefäße und in lebende Zellen transportiert werden können.
Biomedizinische Anwendungen
Die magnetischen Nanoteilchen können mit Medikamenten beschichtet und in den Blutkreislauf injiziert werden. Legt man nun ein externes Magnetfeld an, können die Partikel im Körper gedreht und bewegt werden. So können sie direkt zu einem geschädigten Organ oder Tumor transportiert und dort gehalten werden, bis das Medikament wirkt. Alternativ können die Nanoteilchen nach Erreichen des Ziels innerhalb des Tumors so stark rotiert werden, dass sich der Tumor lokal erhitzt und dadurch schrumpft. In der Forschung spricht man hierbei vom "magnetischen Wirkstoff-Targeting" und der "magnetischen Hyperthermie".
Diese Methoden bieten zwei Hauptvorteile im Vergleich zu herkömmlichen Chemo- oder Strahlentherapien: Erstens ist die Wirkung des Medikaments hoch lokalisiert – es wirkt dort, wo es gebraucht wird – und schädigt kein gesundes Gewebe. Zweitens erleichtert die Anwesenheit magnetischer Nanopartikel die sofortige tomografische Visualisierung von Tumoren.
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Nanoteilchen gut ans Ziel bringen
Die biomedizinischen und technischen Anwendungen von magnetischen Nanoteilchen werfen jedoch nach wie vor zahlreiche wissenschaftliche und praktische Fragen auf. Forscher*innen kämpfen damit, die genaue Partikelgröße und die optimale Struktur und Form zu bestimmen, um Ziele im Körper zu erreichen oder Tumore zu erhitzen. Dabei müssen sie die Gefahr von Verklumpungen und Gefäßblockaden ausschließen. Andererseits könnten kontrollierte Partikel-Aggregate besser auf angelegte Magnetfelder reagieren.
Die praktischen Überlegungen umfassen die Gewährleistung der Ungiftigkeit und die Entwicklung von Methoden zur Zellpenetration, sowie die Entwicklung von Strategien zur Entfernung der Partikel nach Abschluss ihrer Mission und die Erforschung ihres Abbaus in harmlose oder nützliche Verbindungen.
Wie Form und Struktur das Verhalten beeinflussen
Die Beantwortung dieser Fragen ist für die Etablierung von magnetischen Nanopartikel-basierten Systemen als Materialien der Zukunft entscheidend. Wie beim Steckspiel erfordert ihre Beantwortung eine Mischung aus wiederholten Versuchen und sorgfältigen Analysen.
In der Praxis braucht diese moderne Forschung die Zusammenarbeit über Disziplinen hinweg: Expert*innen aus den Bereichen Weiche Materie, Bio-, Kondensierte und Weiche Materie sowie Physik, Chemie und Mathematik werden hier bei theoretischen und experimentellen Bemühungen mit klinischen Studien zusammengebracht.
Hier spezialisiert sich meine Forschungsgruppe auf die rechnerische und analytische Modellierung von magnetischen Nanopartikel-basierten Systemen mit dem Ziel zu verstehen, wie Form und interne Struktur ihr Verhalten beeinflussen. Diese Forschung soll nicht nur Experimente optimieren und die Materialsynthese verbessern, sondern auch ein grundlegendes Verständnis des Magnetismus von Nanopartikeln vermitteln.
Der Weg vom Modell in die Krankenhäuser
Untersuchungen zum Verhalten magnetischer Nanopartikel in Flüssigkeiten werden schon seit fast 60 Jahren durchgeführt. Seit über 25 Jahren arbeiten Forscher*innen daran, klinische Studien zu ermöglichen. Seit 2020 wurden jedoch aufgrund von Pandemie und Kriegen Prioritäten verschoben. Gleichzeitig wurden Debatten über die Finanzierung von Grundlagenforschung und ethische Bedenken hinsichtlich Tierversuchen sowie der Nachhaltigkeit von magnetischen Nanostrukturmaterialien aufgeworfen. Darüber hinaus hat künstliche Intelligenz einen entscheidenden Einzug in unseren Alltag gehalten und traditionelle Forschungsmethoden herausgefordert.
Mit KI nachhaltige magnetische Materialien entwickeln
Beim Umgang mit dieser neuen Realität des Forschungsbereiches plädiere ich dafür, das Wissen, das wir gesammelt haben, sorgfältig zu nutzen und neue Methoden wie KI zu integrieren. Anstatt traditionelle Ansätze blind zu ersetzen, sollte KI diese ergänzen und optimieren, wie es in unserer kürzlich beantragten Forschungsinitiative (Micro) Magnetism and (Quantum) Materials, kurz MAGAMAT, vorgeschlagen wird.
In dieser Initiative planen wir, Forscher*innen aus Österreich und Deutschland zu vereinen, um neue Strategien für die Entwicklung nachhaltiger magnetischer Materialien mit gewünschten Eigenschaften vorzustellen. Für diese Initiative wie für jeden wissenschaftlichen Fortschritt ist es entscheidend, die internationale Zusammenarbeit aufrechtzuerhalten und die Einheit unter Forscher*innen weltweit unabhängig von Geschlecht, Nationalität oder Überzeugungen zu fördern.
Dieser Artikel erschien parallel in Der Standard im Rahmen der Kooperation zur Semesterfrage.