Wissenschaftler nutzen Ultraschall um Krebstumoren zu erweichen und zu behandeln ohne gesundes Gewebe zu schädigen
Shane Curry Ein mikroskopisches Bild der schallreaktiven Partikel der Forscher. Newswise — Krebs gehört zu den führenden Todesursachen in den USA, gleich hinter Herzkrankheiten. Doch eine neue Krebsbehandlungsmethode von Forschern der CU Boulder nutzt Schallwellen, um Tumore zu erweichen und könnte ein starkes Werkzeug im Kampf gegen die Krankheit sein. Chemotherapie kann bei vielen Krebsarten helfen. Chemo-Medikamente zielen darauf ab, Krebszellen zu schädigen oder zu zerstören, die sich typischerweise schnell vermehren. Doch sie wirken nicht immer, teils weil Tumorgewebe so dicht ist, dass Medikamente in die inneren Zellschichten vordringen. Chemo-Medikamente können auch gesunde Zellen schädigen und Nebenwirkungen verursachen. In einer neuen Studie in der Zeitschrift ACS Applied Nano Materials verwendete ein Team von Forschern unter Leitung des ehemaligen CU Boulder Graduiertenin Gener Shane Curry zwei Werkzeuge, um Tumore zu erweichen: Hochfrequenz-Ultraschallwellen und eine Art schallreaktiver Partikel, die den Proteingehalt der Tumore reduzieren. Andrew Goodwin, leitender Autor der Studie und außerordentlicher Professor in der Abteilung für Chemische und Biologische Ingenieurwissenschaften an der CU Boulder, sagte, das sanfte Erweichen von Tumoren auf diese Weise könnte die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass die Chemotherapie wirkt. „Tumore sind irgendwie wie eine Stadt. Es gibt Autobahnen, die hindurchführen, aber es ist nicht gut angelegt, sodass es schwer ist hindurchzukommen“, sagte er. „Gibt es Wege, diese Transportlinien zu verbessern, damit die Medikamente ihre Aufgabe erfüllen können?“ Ultraschall kann Krebs auch behandeln, indem er Tumorgewebe abbaut, doch wie die Chemo kann er auch gesundes Gewebe schädigen. Die Forscherpartikel könnten es erleichtern, Tumore mit weniger intensiven Schallwellen zu behandeln, wodurch das Verfahren sicherer für Patienten wird. „Eine große Einschränkung in vielen Tumortherapien besteht darin, ausreichende therapeutische Dosen zu liefern, ohne gesundes Gewebe zu schädigen“, sagte Curry. „Meine Hoffnung ist, dass diese Partikel die Anwendungen erweitern und die Wirksamkeit einer Vielzahl von Behandlungen erhöhen können.“
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Wie Ultraschall Tumore sanft macht
Schall erzeugt physikalische Wellen, die durch Luft, Flüssigkeiten und feste Objekte wandern. Die Läuteren Schallwellen, die wir hören, sind im Grunde kleine Pakete aus Druckschwankungen, die sich durch den Raum bewegen. Ultraschallbildgebung verwendet dieses Prinzip, um zu visualisieren, was im Körper vor sich geht. Ultraschall kann auch dazu genutzt werden, Krebs zu behandeln. Ultraschallwellen können Tumorzellen und Gewebe zerstören, aber stark fokussierte Wellen können auch gesundes Gewebe schädigen und Blutgefäße beeinträchtigen. Sie können auch das Risiko erhöhen, dass sich der Krebs auf andere Körperteile ausbreitet. Um dieses Problem zu lösen, entwickelten Goodwin und sein Team eine Art mikroskopischer Partikel, der auf Schallwellen reagiert, indem er vibriert und pulsiert. Hohe Frequenz-Ultraschallwellen bringen die Partikel so schnell zum Vibrieren, dass sie das umgebende Wasser verdampfen und winzige Bläschen erzeugen – ein Prozess, der Kavitation genannt wird. Diese Partikel, die ungefähr 100 Nanometer groß sind, bestehen aus Siliziumdioxid und sind mit einer Fettschicht überzogen. In der neuen Studie wurden die Partikel in sowohl 2D- als auch in 3D-Kulturen von Tumorgewebe eingeführt. Wenn Ultraschall angewendet wurde, veränderten die Partikel die Struktur beider Kulturen, jedoch auf leicht unterschiedliche Weise.
Unterschiede zwischen 2D- und 3D-Tumorkulturen
In den 2D-Kulturen, die aus einer einzigen Zellschicht auf einer Plastikschale bestanden, zerstörten die Partikel das Tumorgewebe. In den 3D-Kulturen, die realistischer waren, reduzierten die Partikel lediglich die Mengen bestimmter Proteine, die die Tumorzellen umgeben, wodurch das Gewebe weicher wurde. Die Tatsache, dass die Zellen in der 3D-Kultur nicht zerfielen, ist ein gutes Zeichen, sagte Goodwin. Das bedeutet, die Behandlung erweicht, zerstört aber nicht das Gewebe – ein wichtiger Hinweis darauf, dass gesundes Gewebe weniger gefährdet ist.
Zukunftspotenziale und Anwendungen
Goodwin glaubt, dass diese Methode bei Prostata-, Blasen-, Eierstock- und Brustkrebs sowie anderen Krebsarten funktionieren könnte, die Tumore an einem spezifischen Ort im Körper haben. Andere Krebsarten, wie solche, die das Blut und Knochen betreffen, können stärker gestreut sein und auf diesem Weg schwerer zu behandeln sein. Derzeit verwenden Goodwin und sein Team ähnliche schallreaktive Partikel, um Tumore bei Mäusen zu behandeln, aber letztlich hoffen sie, die Partikel in den menschlichen Körper zu verabreichen. Goodwin hält es für möglich, die Partikel an Antikörper – Immunproteine, die Bakterien, Viren und andere Eindringlinge binden – zu koppeln und diese Antikörper in den Blutkreislauf zu geben, damit sie zu einem Tumor gelangen. Sobald die Partikel angekommen sind, könnten die Forscher Ultraschall anwenden und die Behandlung testen.
Ausblick und klinische Perspektiven
Derzeit werden ähnliche schallreaktive Partikel in Mäusen getestet, während die Forscher hoffen, irgendwann die Partikel direkt in den menschlichen Körper einzuführen. „Die Technologie des fokussierten Ultraschalls hat sich in den letzten zehn Jahren wirklich stark weiterentwickelt“, sagte Goodwin. „Ich hoffe, dass die Partikel, die wir im Labor bauen, sich mit den akustischen, bildgebenden und therapeutischen Technologien verbinden können, die Teil der klinischen Behandlung sind.“ Although that day could still be a ways off, die Forscher sind optimistisch über das Potenzial der Technik.
