Nanothermometer misst Tumor-Temperaturen

Gefüllte und nur einige Nanometer große Kohlenstoffröhrchen können problemlos für kontaktlose Temperaturmessungen an Krebstumoren verwendet werden. Dies haben Dresdner Wissenschaftler in einer neuen Studie festgestellt. Sie berichten über ihre Forschungsergebnisse zur Anwendung von Nanoteilchen in der Biomedizin in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nanomedicine“.

Nanoteilchen werden bereits im Rahmen von Pilotstudien an ersten Patienten zur hyperthermischen Behandlung in der Krebstherapie eingesetzt. Mit der Anwendung von so genannten multifunktionellen gefüllten Kohlenstoffnanoröhren – Carbon nanotubes = CNTs – beschäftigen sich im Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden mehrere Projekte – darunter das europäische Forschungsvorhaben CARBIO.

Magnetische Füllungen sollen Tumorgewebe zerstören

Darin experimentieren Wissenschaftler am IFW mit magnetischen Füllungen in CNTs, die durch induktive Aufheizung im Körper zukünftig ganz gezielt Tumorgewebe zerstören sollen. Die CNTs dienen dabei als Container für unterschiedliche Dinge: sie können Sensoren, Magnete und Medikamente über die Blutbahn transportieren, ohne dass ihr Inhalt auf dem Weg zum Zielort in unerwünschten Kontakt mit Gewebe kommt.

Da eine Aufheizung (= Hyperthermie) von Tumorgewebe im menschlichen Körper fortlaufend und möglichst genau kontrolliert werden muss, ist eine Temperaturüberwachung mit einem Thermometer auf Zellebene erforderlich. Aktuelle Ergebnisse im Rahmen von CARBIO haben jetzt ergeben, dass mit Kupferiodid (CuI) gefüllte CNTs als Thermometer dienen können. Dieses Material, wie auch andere Alkali- und Kupfer-Halogenide, zeigt in Kernspinresonanz-Messungen diverse temperaturabhängige Parameter.

So ist zum Beispiel die Relaxationszeit, das heißt die Zeit, die die Magnetisierung eines angeregten Teilchens benötigt um wieder zum Ausgangszustand zu kommen, ein solcher temperaturabhängiger Parameter.

Kontaktlose Temperaturmessung

Messen die Forscher diesen Parameter mit Hilfe der Magnetresonanz, können sie auf die genaue Temperatur in der Umgebung des Kupferjodids schließen. Diese kontaktlose Temperaturmessung von außen bietet im Gegensatz zu einer herkömmlichen Temperaturkontrolle bei hyperthermischen Krebsbehandlungen einen einzigartigen Vorteil: der Aufwand und das Risiko eines operativen Eingriffs kann mit dem Nanothermometer zukünftig vermieden werden.

Zur Herstellung des Nanothermometers füllten die Wissenschaftler am IFW Kupferjodid in CNTs. Dazu wurden mehrwandige CNTs mit einem Durchmesser von fünf bis 20 Nanometer und einer Länge von zehn bis 30 Mikrometer hergestellt. Mehrwandige CNTs können in den äußeren Lagen noch mit funktionellen Gruppen ausgestattet werden, so dass sie vom Körper besser aufgenommen werden.

Kupferjodid wird eingesogen

Nach einer thermischen Behandlung bei 450°C sowie Ultraschallbehandlungen mit Salzsäure und Salpetersäure öffnen sich die Nanoröhrchen. Die Forscher füllten die Röhrchen anschließend mit Kupferjodid, indem das Material in einer Silika-Ampulle auf 600°C erhitzt wurde. Über Kapillarkräfte wird so das Kupferjodid in die CNTs regelrecht „eingesogen“.

Messungen der Nuklearen Magnetischen Resonanz (NMR) bei einem äußeren Magnetfeld von sieben Tesla zeigten den Forschern, dass für die Relaxationszeit und die Resonanzfrequenz eine deutliche Temperaturabhängigkeit im Bereich von fünf bis 320 Kelvin – dies entspricht maximal 47° Celsius – besteht. Die beste Auflösung ergab sich für die Relaxationszeit mit einer Messgenauigkeit von zwei Kelvin.

Damit erfassen die Kupferjodid gefüllten CNTs den Temperaturbereich von hyperthermischen Behandlungen in der Krebstherapie, die gängigerweise bei knapp mehr als 42° Celsius durchgeführt werden. Eine Verwendung dieser CNTs als kontaktlose Nanothermometer ist deshalb nach Angaben der Forscher grundsätzlich möglich. Die Messgenauigkeit muss jedoch noch erhöht werden. Zurzeit untersuchen Wissenschaftler am IFW deshalb weitere mögliche Füllmaterialien für CNTs.

(idw – Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden, 16.10.2008 – DLO)