Einfluss einer Krebserkrankung auf die biologische Elimination von PEGylierten magnetischen Nanopartikeln im humanen Xenograftmodell der Maus

Die Nanotechnologie stellt in Forschung und Medizin eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts dar. Mit Nanopartikeln ist es möglich, gezielt Zellen anzusteuern, um sie für bildgebende Methoden zu markieren oder die angesteuerten Zellen und Gewebe direkt zu therapieren. Aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften eignen sich magnetische Eisenoxid-Nanopartikel (MNPs) besonders gut für die bildgebende Darstellung im MRT und ermöglichen die Therapie von Tumoren mittels Hyperthermie oder die gezielte Einschleusung von gekoppelten Chemotherapeutika in die Tumorzellen 1. MNPs weisen eine gute Biokompatibilität und chemische Stabilität auf.
Das Ziel der vorliegenden Studie war die Ermittlung der Distribution und Degradation des Nanopartikel-Kerns und der Nanopartikel-Hülle bei Mäusen mit übertragenen Tumorzellen einer humanen Brustkrebs-Zelllinie nach einmaliger und mehrmaliger Nanopartikel-Exposition. Zusätzlich sollte überprüft werden, ob die einmalige Nanopartikel-Applikation zu Veränderungen der Organfunktion bei gesunden Tieren führt und ob die übertragenen Tumorzellen bei einmaliger Nanopartikel-Applikation einen Einfluss auf die Durchblutung der Organehat. Des Weiteren sollten mögliche Unterschiede der Organfunktionen nach einmaliger und viermaliger Nanopartikel-Applikation bei tumortragenden Tieren dargestellt werden. Eine weitere wichtige Fragestellung war, ob die applizierten Nanopartikel einen Einfluss auf das Tumorwachstum haben.
In der Studie wurde eine Nanopartikelformulierung mit superparamagnetischem Eisenoxidkern, markiert mit dem Fluoreszenz Farbstoff DY-730, umhüllt von einer Polyethylenglycol-Hülle, markiert mit dem Farbstoff DY-555, in die Schwanzvenen von Nacktmäusen appliziert. Um die klinische Situation von Patienten mit einer Tumorerkrankung nachzubilden, wurde die humane Brust-Adenokarzinom-Zelllinie MCF-7 in immundefiziente athymische Nacktmäuse des Auszuchtstammes Hsd:AthymicNude-Fox1-nu xenotransplantiert. Bei den Tierversuchen wurden die Tiere in Gruppen ohne MNP-Applikation, mit einmaliger und mit viermaliger MNP-Applikation, mit jeweils zwei Subgruppen – mit Tumor und gesunde Tiere – eingeteilt. Zum Nachweis systemischer und zytotoxischer Effekte der Nanopartikel in den Versuchstieren wurden im Blut die Zahl der Erythrozyten, der Hämoglobingehalt und die Zahl der Leukozyten bestimmt sowie eine wöchentliche Gewichtskontrolle durchgeführt. Zusätzlich wurde der Hämoglobin-Gehalt in ausgewählten Organen und die Blutperfusion in der Leber mittels multispektraler optoakustischer Tomografie gemessen, um Aussagen über Effekte der Nanopartikel-Applikation auf diese Organe treffen zu können. Zur Darstellung der Distribution und Degradation der Nanopartikelhülle und des Nanopartikelkerns wurde die Fluoreszenzintensität der an die Hülle und den Kern gekoppelten Fluoreszenzfarbstoffe mit einem Nahinfrarot-Kleintierscanner bestimmt. Die Eisengehalte in den Organen zur Ermittlung der Distribution der Eisenoxid-Nanopartikelkerne wurden mittels Flammen-Atomabsorptionsspektrometrie gemessen.
Die Anreicherung des Kernfarbstoffs DY-730 konnte nach einmaliger Nanopartikel-Applikation in der Leber nachgewiesen werden. Nach viermaliger Nanopartikel-Applikation konnte eine deutlich stärkere Anreicherung des Kernfarbstoffs in der Leber sowie eine Anreicherung in der Milz gezeigt werden. Die Eisengehalte dienten dem Nachweis der Eisenoxid-Kerne der Nanopartikel. Sie waren bei viermaliger Nanopartikel-Applikation in Leber, Milz, Lunge, Harnblase, Haut, Nieren, Ovarien und Uterus einen Tag nach der letzten Applikation deutlich erhöht. Eine Anreicherung des Hüllfarbstoffs konnte dagegen nicht festgestellt werden.
Bei gesunden Tieren hatte die einmalige Nanopartikel-Applikation keinen negativen Einfluss auf das Körpergewicht sowie die Blutwerte und den Hämoglobin-Gehalt in Herz, Leber, Milz und Nieren.
Bei tumortragenden Tieren waren vor der Nanopartikel-Applikation die Zahl der Leukozyten und Erythrozyten sowie die Hämoglobin-Gehalte im Blut gegenüber gesunden Tieren verringert. Nach einmaliger Nanopartikel-Applikation lagen die Zahl der Erythrozyten und die Hämoglobin-Gehalte tendenziell höher als bei gesunden Tieren, denen einmalig Nanopartikel appliziert wurden.
Die viermalige Nanopartikel-Applikation löste im Vergleich zur einmaligen bei tumortragenden Tieren erhöhte Hämoglobin-Gehalte im Herz und der Leber aus. Zusätzlich war die mittels multispektraler optoakustischer Tomografie bestimmte Leberperfusion gestört, was auf eine starke Beanspruchung der Organe durch die Verstoffwechselung der Nanopartikel hinweist. Die Reaktionen auf zellulärer Ebene sollten weiter erforscht werden, um abzuklären, ob es zu einer dauerhaften Zellschädigung in den Organen kommt.
Auf das Tumorwachstum zeigte die einmalige Nanopartikel-Applikation eine steigernde Wirkung. Im Gegensatz hierzu führte die viermalige Nanopartikel-Applikation zu einer Stagnation des Tumorwachstums. Eine Möglichkeit die toxische Wirkung des Eisens auf die Tumorzellen bei einer hohen Eisendosis zu nutzen, wäre die Entwicklung einer Methode zur gezielten Aufnahme der eisenoxidhaltigen Nanopartikel in die Tumorzellen, um durch eine Eisenüberdosierung das Tumorwachstum zu stoppen.