Polymere: Medizinische Helfer im Nanoformat

Es ist eigenartig, sich vorzustellen, Kunststoff schwämme durch den eigenen Körper. Für manche Chemiker aber ist das die große Zukunft. Sie erschaffen winzige Plastikkügelchen, die nur einige Hundert Nanometer dick und damit kleiner als Bakterien sind. Die Plastikkügelchen könnten einst Medikamente durch den Körper chauffieren oder sogar als künstliche Zellbestandteile in lebende Zellen eingeschleust werden. Wie ein Ersatzteil in einem kaputten Auto könnten sie in kranken Zellen Stoffwechselfunktionen übernehmen.

Der Chemieprofessor Wolfgang Meier von der Universität Basel war einer der ersten, die vor etwa 15 Jahren in ihren Laboren Kunststoffbestandteile, Polymere, so zusammenrührten, dass in ihnen chemische Reaktionen abliefen. Das Besondere: Die Haut dieser Kugeln ist der Hülle lebender Zellen sehr ähnlich. Eine solche Membran einer lebenden Zelle besteht aus länglichen Molekülen, die ein wasserliebendes, hydrophiles Ende und ein wasserabweisendes, hydrophobes Ende besitzen. In wässriger Umgebung wie etwa dem Körperinnern lagern sich die Moleküle zu Doppelschichten zusammen, in denen sie sich mit ihrem hydrophoben Ende berühren und die hydrophilen Köpfe nach außen strecken. Jede lebende Zelle umgibt sich damit. Wolfgang Meier und andere Forscher tüftelten damals an Polymer-Molekülen, die ebenfalls hydrophobe und hydrophile Eigenschaften hatten, bis sich die Polymer-Moleküle nicht nur zur Doppelschicht, sondern endlich zur Kunststoffkugel versammelten.

Reaktion in der Kugel

„Damals ging es uns darum, zu zeigen, dass man in solchen Kugeln wie in einem Nanoreaktor chemische Reaktionen ablaufen lassen kann“, sagt Meier, der den Nationalen Forschungsschwerpunkt Molecular Systems Engineering leitet. „Heute sind wir der lebenden Zelle schon sehr viel näher.“ Weltweit gibt es ein knappes Dutzend wissenschaftlicher Arbeitsgruppen, die an den Plastikkügelchen, den Polymersomen, forschen. Sie haben mehrere Ziele. Zum einen wollen sie die Kügelchen mit Substanzen, etwa Medikamenten, befüllen, gezielt an ihren Bestimmungsort im Körper bringen und wohldosiert entleeren.

Meier und seine Kollegin Cornelia Palivan lassen in den Kügelchen darüber hinaus chemische Reaktionen ablaufen. Dazu füllen sie die Polymersomen beispielsweise mit Enzymen, die Substanzen umwandeln, welche durch die Membran ins Polymersom wandern. Um die Membran für Substanzen durchlässig zu machen, fügen sie biologische Zellbausteine in ihre Polymersomen-Membran ein, sogenannte Porine, die wie Ventile funktionieren.

Für ein Experiment befüllten Meier und Palivan ihre Polysomen mit Enzymen, die aggressive Sauerstoff-Radikale neutralisieren. Solche Radikale entstehen im Stoffwechsel und müssen entschärft werden, weil sie die Zellen schädigen. „Wir konnten die Polymersomen in Zellen einschleusen und beobachten, dass die Menge der Radikale tatsächlich sinkt. Das Prinzip funktioniert“, sagt Palivan. Auch in lebenden Zellen gibt es Radikalfänger, die Peroxisomen. Bei manchen Menschen aber arbeitet die Radikalabwehr nicht richtig, was zu schweren Stoffwechselkrankheiten führt. Palivan glaubt daher, dass künstliche Zellbestandteile in Zukunft ein Weg für eine Therapie sein könnten.

„Im Nachahmen der Natur sind wir allerdings noch Anfänger“, sagt Brigitte Voit, Chemikerin und wissenschaftliche Direktorin des Leibniz-Instituts für Polymerforschung in Dresden. „Entscheidend ist unter anderem, dass ein Wirkstoff seinen Zielort findet, damit er dort, und möglichst nur dort, wirken kann. Das ist nicht einfach.“

Voit und ihren Mitarbeitern aber ist das bereits mit Polymersomen gelungen, die mit dem Krebsmedikament Doxorubicin gefüllt waren. Damit die Polymersome die Krebszellen tatsächlich finden konnten, hefteten die Forscher Folsäure-Moleküle an die Polymersom-Oberfläche. Denn Folsäure bindet sich bevorzugt an die Membranen von Krebszellen.

Als Chemikerin geht es Voit um mehr als medizinische Anwendungen. Auch in der Industrie könnten die Polymersome gute Arbeit leisten, sagt sie – etwa bei der Produktion von Kunststoffen. Manche Kunststoffe werden heute in großen Bioreaktoren von Bakterien erbrütet. Das Erbgut der Bakterien wird so verändert, dass sie zu mehr als 90 Prozent die gewünschte Substanz herstellen – beispielsweise Polyhydroxybuttersäure (PHB), die für biologisch abbaubare Folien genutzt wird. Allerdings muss man die PHB mit viel Aufwand von der Bakterienmasse trennen und reinigen. Es gab bereits Versuche, für die PHB-Synthese nicht Bakterien, sondern nur die benötigten Eiweiße, die Enzyme, zu nutzen. Doch sind diese unter technischen Bedingungen oft nur wenige Stunden aktiv. „Würde man die Enzyme in Polymersome füllen, so wären sie geschützt“, sagt Voit, „wir konnten das schon an einigen Enzymen nachweisen.“

Das funktioniert aber nur, wenn chemische Substanzen die Hülle der Polymersome wohldosiert durchwandern können, um zum Enzym hinein oder wieder aus dem Polymersom hinaus zu gelangen. Voits Mitarbeiter Jens Gaitzsch, derzeit am University College London, hat einen Weg gefunden, wie er Polymersome öffnen und wieder verschließen kann.

Für die Hülle der Polymersome verwendet er Polymer-Moleküle, deren wasserabweisende Schwänze sich miteinander verknüpfen. Dadurch ist die Hülle des Polymersoms sehr fest und undurchlässig. In leicht angesäuerten Flüssigkeiten aber quellen die verknüpften Polymerketten ein wenig. Die Polymersom-Membran schwillt an, Substanzen können die Hülle passieren. Nimmt der Säuregrad des Wassers wieder ab, schrumpft die Kapselhülle wieder und wird dicht. „Über den Säuregrad können wir die Durchlässigkeit der Polymersomen sehr gut steuern – das ist für industrielle Prozesse genauso wichtig wie für die Biologie“, sagt Gaitzsch. „Da das Innere von Krebszellen meist etwas saurer als die Umgebung ist, eignet sich dieses Verfahren auch sehr gut, um in solchen Zellen Medikamente freizusetzen.“

Doch nicht immer kommen die Forscher mit einer Substanz aus. Im Stoffwechsel sind oft verschiedene Enzyme an der Produktion einer Substanz beteiligt. Und viele Produktionsschritte finden getrennt voneinander in kleinen Behältern im Innern einer Zelle, den Organellen, statt. Die Organellen und die Zelle tauschen Substanzen und Zwischenprodukte durch ihre Membranen hindurch aus. Wer ein künstliches System erschaffen möchte, das dem Vorbild einer natürlichen Zelle ähnelt, muss also Polymersomen erschaffen, die künstliche Organellen enthalten. Das dachte sich der niederländische Chemiker Jan van Hest vor etwa zehn Jahren. Es dauerte einige Zeit, bis es dem Forscher von der Radboud Universität Nijmegen gelang, Polymersomen zu synthetisieren, in denen kleinere Polymersomen umherschwimmen.

Stoffwechseldefekte reparieren

Vor zwei Jahren erregte Jan van Hest gemeinsam mit seinem französischen Kollegen Sébastien Lecommandoux von der Universität Bordeaux mit einer wissenschaftlichen Veröffentlichung Aufsehen. Die Forscher hatten in größere Polymersomen kleinere Polymersomen eingeschlossen, die verschiedene für eine biochemische Reaktion benötigte Substanzen und Enzyme enthielten. Nach und nach wanderten die Substanzen von Polymersom zu Polymersom, in denen aufeinander abfolgende Reaktionsschritte abliefen. Damit hatten die beiden Forscher als erste eine sogenannte Reaktionskaskade in Polymersomen ablaufen lassen.

Zwar lässt sich damit noch kein Stoffwechseldefekt reparieren – aber sie haben gezeigt, dass biochemische Vorgänge wie in einer echten Zelle, auf mehrere Organellen verteilt, ablaufen können. „Ich bin gespannt, wie weit wir diese Selbstorganisation von Molekülen treiben können“, sagt van Hest. „Noch weiß keiner, wie lang der Weg zu einem Polymersom ist, das im Körper Stoffwechselprozesse übernehmen kann.“ 20 Jahre wird es sicher noch dauern.