Mit Licht gesteuerte organische Mikroschwimmer liefern Medikamente an Ort und Stelle

In ihrer Arbeit „Light-driven carbon nitride microswimmers with propulsion in biological and ionic media and responsive on-demand drug delivery“ stellen Forschende am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) und am benachbarten Max-Planck-Institut für Festkörperforschung (MPI-FKF) organische Mikropartikel vor, die sie durch natürliche Flüssigkeiten und verdünntes Blut auf bisher ungeahnte Weise steuern können. Selbst in sehr salzhaltigen Flüssigkeiten können die Mikroschwimmer mit Hilfe von sichtbarem Licht mit hoher Geschwindigkeit einzeln oder als Schwarm vorwärts getrieben werden. Sie sind zudem biokompatibel und können ohne weitere Modifikationen gezielt Medikamente aufnehmen und abgeben. Die Materialeigenschaften sind so ideal, dass daraus eines Tages semi-autonom agierende Mikroroboter für Anwendungen in der Biomedizin entwickelt werden könnten. Am MPI-IS waren Wissenschaftler der Abteilung für Physische Intelligenz unter Leitung von Metin Sitti beteiligt, am MPI-FKF Wissenschaftler*innen der Abteilung für Nanochemie unter Leitung von Bettina Lotsch.

Derart vielseitige Mikroschwimmer zu entwerfen und herzustellen schien bislang unmöglich. Die Fortbewegung durch Lichtenergie wird durch Salze, die im Wasser oder Körper zu finden sind, behindert. Das erfordert ein ausgeklügeltes Design, was die Anwendung teuer und komplex macht, und es so schwierig wird, sie in größerer Menge herzustellen. Auch die Steuerung der Roboter von außen ist komplex und kostspielig. Eine weitere Königsdisziplin im Bereich der Nanorobotik ist die kontrollierte Frachtaufnahme und -abgabe an Ort und Stelle, wie etwa für den gezielten Medikamententransport und -einsatz.

Die Wissenschaftler*innen verwendeten für ihre Experimente ein poröses Kohlenstoffnitrid (CNx), das aus organischen Stoffen wie zum Beispiel Harnstoff künstlich hergestellt werden kann. Ähnlich wie die Solarzellen einer Photovoltaikanlage absorbiert das Kohlenstoffnitrid Licht, das dann die Energie liefert, um den Roboter vorwärts zu bewegen, wenn Licht auf die Partikeloberfläche strahlt.

Hohe Ionentoleranz

„Licht als Energiequelle für den Antrieb zu nutzen ist bei einem Versuch in einer Petrischale oder bei Anwendungen direkt unter der Haut sehr praktisch“, sagt Filip Podjaski, Gruppenleiter in der Abteilung für Nanochemie am MPI-FKF. „Es gibt nur ein Problem: Selbst winzige Konzentrationen an Salz verhindern durch Licht angetriebene Bewegung. Salze sind jedoch in allen biologischen Flüssigkeiten zu finden: in Blut, in Zellflüssigkeiten, Verdauungssäften usw. Wir aber konnten zeigen, dass unsere CNx-Mikroschwimmer in biologischen Flüssigkeiten – selbst bei sehr hoher Salzkonzentration – funktionieren. Das geht nur dank eines günstigen Zusammenspiels mehrerer Faktoren: die effiziente Lichtenergieumwandlung bietet einen sehr guten Antrieb und die poröse Struktur der Nanopartikel einen optimalen Ionenfluss durch sie hindurch. Der durch Salz erzeugte Widerstand wird sozusagen reduziert. Zudem begünstigt Licht wahrscheinlich die Mobilität von Ionen in diesem besonderen Material – eine zusätzliche Verbesserung, um den Schwimmer noch effizienter vorwärts bewegen zu können.“

Nachdem das Team gezeigt hatte, dass die Schwimmer salztolerant sind, wandte es sich der Herausforderung zu, sie als Medikamenten-Transportmittel zu nutzen. „Dies ist ebenfalls aufgrund der Porosität des Materials möglich“, erklärt Varun Sridhar. Er ist PostDoc am MPI-IS und der Erstautor der Veröffentlichung. Sein Team und er beluden die kleinen Poren der Schwimmer mit dem Krebsmedikament Doxorubicin. „Die Partikel haben das Medikament wie ein Schwamm aufgenommen, bis zu einer beachtlich hohen Menge von 185% der Partikelmasse. Doxorubicin blieb stabil an das Kohlenstoffnitrid gebunden – sogar länger als einen Monat. Wir haben dann gezeigt, dass eine kontrollierte Freisetzung des Wirkstoffs in einer Umgebung mit saurem pH-Wert, wie z.B. im Magen, ganz natürlich erfolgt. Zudem konnten wir den Mikroschwimmer beleuchten und so das Medikament freisetzen –unabhängig von einer pH-Wert-Änderung. Und selbst bei voller Beladung verlangsamte sich der Antrieb nicht wesentlich, was sehr praktisch ist“, fügt Sridhar hinzu.

Die kontrollierte Freisetzung des Wirkstoffs bleibt eine Herausforderung. Unter sauren Bedingungen wird das Medikament schnell in großen Mengen abgegeben. In anderen Teilen des Körpers oder in biologischen Umgebungen gibt es diese drastische Änderung des pH-Wertes allerdings nicht. Daher braucht man einen alternativen externen Trigger, um das Medikament freizusetzen.

„Wir haben festgestellt, dass die Beleuchtung mit blauem Licht, die den Antrieb ermöglicht, gleichzeitig das mitgeführte Medikament freisetzt“, erklärt Podjaski. „Für zielgerichtete Anwendungen ist das nicht immer erwünscht, da eine Freisetzung von Medikamenten über die gesamte Wegstrecke des Partikels erfolgen würde. Hier kommt die besondere Aufladefähigkeit unseres neuen „Solarbatterie“-Kohlenstoffnitrids ins Spiel: Wenn das Material in einer sauerstoffarmen (hypoxischen) Umgebung beleuchtet wird, kann es die Lichtenergie speichern, wie wir in einer vorhergehenden Publikation gezeigt hatten, und auch zum aktiven Schwimmen im Dunkeln genutzt werden. Unter solchen hypoxischen Bedingungen, wenn der Partikel aufgeladen wird, verändern sich die Wechselwirkungen mit den adsorbierten Arzneimitteln, sodass seine Freisetzung erheblich gesteigert wird. Die effiziente Einwirkung auf bestimmte Zellen wird so ermöglicht. Zudem agiert das CNx durch seine Aufladefähigkeit auch sensorisch und responsiv. Die in sauerstoffarmer Umgebung bedingte Lichtladefähigkeit des Materials wird quasi intrinsisch erkannt, und die verbesserte Medikamenten-Freisetzung erfolgt als Reaktion darauf. Das entspricht vom Prinzip den komplexen Entscheidungsprozessen im Körper, die durch Nervenzellen gesteuert werden. Hier jedoch ist die ganze Funktion schon semi-autonom im Material des Mikroschimmers kodiert.“

Die Wechselwirkung mit Krebsmedikamenten bewies das Team in einem Versuch mit echten Tumorzellen. In ihrer Arbeit zeigen die Wissenschaftler*innen, wie sie mit Doxorubicin beladene Kohlenstoffnitridpartikel in der Nähe von Krebszellen beleuchten, und wie das Medikament freigesetzt und von den Zellen aufgenommen wird, was sie dann zerstört.

„Unsere Arbeit zeigt, welch ungeahntes Potenzial solch poröse Mikropartikel haben. Die Ausgangsmaterialien für ihre Herstellung sind reichlich vorhanden. Poröse organische Netzwerke, wie dieses Kohlenstoffnitrid, können leicht und mit vielseitigen Eigenschaften produziert werden – ideale Bedingungen, sie als Material zum Bau von Mikroroboter zu nutzen“, sagt Metin Sitti.

„Poröse organische Materialien ermöglichen von Natur aus große Porenvolumina und innere Oberflächen, die viel Platz für Beladung lassen, während sie gleichzeitig die Beschränkungen für den Antrieb mit Licht überwinden, die sonst in Gegenwart von Ionen auftreten. Eine weitere Anpassung der molekularen Struktur des Materials könnte noch kontrolliertere Wechselwirkungen mit einer Medikamentenladung ermöglichen, ohne dass eine spezielle Verkapselung der Medikamente erforderlich ist. In Zukunft können wir die optoelektronischen Materialeigenschaften gezielt nutzen, um daraus semi-autonom agierende Mikroroboter für Anwendungen in der Biomedizin zu entwickeln“, sagt Bettina Lotsch.

Auch wenn die Mikroschwimmer eine Zukunftsvision sind und derzeit nur unter Labor-Bedingungen funktionieren, könnten die in der Studie präsentierte Grundlagenforschung den Weg ebnen hin zu lichtgesteuerten und biokompatiblen Materialien sowie zu intelligenten halbautonomen Systemen, die in anderen Technologien Anwendung finden. „Wir hoffen, dass wir viele kluge Köpfe inspirieren können, noch bessere Materialien und Methoden für die Steuerung von Mikrorobotern zu finden, sie noch reaktionsfähiger zu machen, um damit der Forschung und dem Wohl unserer Gesellschaft zu dienen“, so Sitti abschließend.