Small Wonders: Mikro-Maschinen in der Medizin
Geschrieben von Neil Osterweil Aus den Archiven des Arztes
10. November 2000 -- In dem Film Fantastic Voyage von 1966 wird ein Chirurgenteam miniaturisiert und in den Blutkreislauf eines sterbenden Mannes injiziert - ein gewagter Versuch, sein Leben zu retten. Aber das ist die harte Tour: Warum klein werden, wenn man eine Armee von mikroskopisch kleinen Roboter-Sanitätern bauen kann, die das für einen erledigen?
Vor ein paar Jahren hätte das noch wie eine absurde Fantasie geklungen, wie etwas aus Jules Verne oder H.G. Wells. Aber die Nanotechnologie - die Wissenschaft, die Atome dazu bringt, sich selbst zu mikroskopisch kleinen Maschinen oder stabilen Strukturen zusammenzusetzen - verspricht eine neue industrielle Revolution.
Im 19. Jahrhundert waren die Werkzeuge des Fortschritts Kohle, Öl und Stahl. Im 21. Jahrhundert werden es Atome, mikroskopisch kleine Röhren, die Medikamente transportieren, und Miniaturroboter zur Krankheitsbekämpfung sein, sagen klein denkende Wissenschaftler mit großen Ideen, die sich letzte Woche in Bethesda, Md. auf einer Konferenz über Nanotechnologie trafen.
Die Vorsilbe Nano-, vom griechischen Wort für "Zwerg", wird in der Medizin und Wissenschaft verwendet, um Dinge zu bezeichnen, die verblüffend klein sind - technisch gesehen ein Milliardstel eines "was auch immer". Eine Nanosekunde ist also ein Milliardstel einer Sekunde, und ein Nanometer ist ein Milliardstel eines Meters.
Die Idee, Maschinen in Molekülgröße zu bauen, mag manchen Menschen bizarr oder albern erscheinen, aber die Wissenschaftler der Nanotechnologie halten der Natur tatsächlich den Spiegel vor.
In gewisser Weise ist Mutter Natur der Beweis für die Nanotechnologie, sagt der Ko-Vorsitzende der Konferenz, Dr. Jan H. Hoh, außerordentlicher Professor für Physiologie an der Johns-Hopkins University School of Medicine in Baltimore. "Die Leute fragen: 'Kann man wirklich Geräte auf einer Längenskala von wenigen Nanometern bauen?' Und die Antwort lautet: 'Wir wissen, dass man das kann, denn die Natur hat es bereits getan'", erklärt Hoh dem Arzt. "Ein Teil der aktuellen Bemühungen in der Nanotechnologie sind diese Lehren aus der Natur, bei denen man versucht, die Konstruktionsstrategien und -prinzipien zu verstehen, die die Natur verwendet, und sich dann fragt: 'Wie kann ich diese Strategien nutzen, um Geräte mit völlig neuen Funktionen und neuen Eigenschaften zu bauen?'"
Die Nanotechnologie umfasst viele Bereiche der Wissenschaft und Technologie, von der Weltraumforschung bis zur Energieeinsparung. Ein besonders vielversprechender Bereich ist die Medizin. Stellen Sie sich vor, was Nanoroboter oder "Nanobots" - winzige, zielstrebige Automaten, die für einen bestimmten Zweck entwickelt wurden - tun könnten:
Herstellung und Verabreichung von Krebsmedikamenten an bestimmten Stellen innerhalb eines Tumors
Blutgefäße von Fettablagerungen befreien, die den Fluss zum Herzen blockieren
Bombardierung isolierter Infektionsherde mit einem Sperrfeuer von Antibiotika
Suche und Zerstörung von Blutgerinnseln, die zu einem Herzinfarkt oder Schlaganfall führen können
"Die gesamte Maschinerie des Lebens ist eine molekular präzise Maschinerie, die im Nanometerbereich arbeitet, also Nanotechnologie - die Version der Natur", sagt Rick Smalley, Professor für Chemie und Physik und Direktor des Center for Nanoscale Science & Technology an der Rice University in Houston. "In dem Maße, in dem wir jemals lernen werden, sie zu diagnostizieren, zu untersuchen, herauszufinden, zu verändern und ihre Probleme zu beheben, wird auch das eine Nanotechnologie sein müssen."
Smalley erklärt, dass die Nanotechnologie in der Medizin bereits in Form von künstlich hergestellten Molekülen eingesetzt wird, die mit giftigen Chemikalien oder radioaktiven Partikeln gekoppelt sind. Diese Moleküle, die es in der Natur nicht gibt, können beispielsweise Medikamente oder tödliche Strahlendosen an Krebstumore abgeben. Von dort aus sei es kein großer Sprung, sich die Verabreichung von Medikamenten mit Hilfe von mikrotechnisch hergestellten Röhren, so genannten Nanoröhren, vorzustellen.
In einer Aussage vor dem Kongress im Jahr 1999 prognostizierte Smalley weitere Einsatzmöglichkeiten für die Nanotechnologie in der Medizin. Dazu gehören schnelle genetische Analysen, die eine Diagnose und Behandlung ermöglichen, die auf den einzelnen Patienten und sein genetisches Profil zugeschnitten ist, haltbarere künstliche Organe, die vom Immunsystem des Empfängers weniger wahrscheinlich abgestoßen werden, und "Sensorsysteme, die die Erkennung neu auftretender Krankheiten im lebenden Körper ermöglichen und letztlich den Schwerpunkt der Patientenversorgung von der Behandlung von Krankheiten auf die Früherkennung und/oder Vorbeugung verlagern werden", sagt er.
Andere medizinische Anwendungen der Nanotechnologie, die auf den ersten Blick weit weg zu sein scheinen, liegen in Wirklichkeit ganz in der Nähe, sagt Leslie Rubinstein, Präsident von Renaissance Technologies in Lexington, Kyoto. In einem Interview mit dem Arzt beschreibt er den Einsatz praktischer Nanoroboter für die Behandlung verschiedener medizinischer Probleme. Die minimalen medizinischen Maschinen könnten mit Hilfe bestehender Technologien gebaut werden, wie z. B. der Technologie, die zur Herstellung winziger Computerchips verwendet wird. Die Roboter selbst würden so konstruiert, dass sie sich dorthin wagen, wo noch kein Roboter zuvor gewesen ist, nämlich in schwer zugängliche Bereiche des Körpers, wo es darum geht, etwas loszuwerden, das dort nicht sein sollte.
Ähnliche Arbeiten werden am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge durchgeführt, wo Ian Hunter, PhD, Professor für Maschinenbau und Bioingenieurwesen, und seine Kollegen "Nanowalker" entwickeln, die in der Medizin das leisten könnten, was Robotersonden in der Weltraumforschung geleistet haben. Die Nanowalker könnten über, um oder durch den Körper kriechen, um Krankheiten abzubilden und zu diagnostizieren, die herkömmlichen Scanverfahren verborgen bleiben, Medikamente an Tumore zu verabreichen oder Organe zu reparieren, ohne dass ein chirurgischer Eingriff erforderlich ist.
Manche befürchten, dass es kein Zurück mehr gibt, wenn wir uns erst einmal auf den Weg gemacht haben, selbstorganisierende Roboter zu entwickeln, und dass wir eines Tages aufwachen und feststellen, dass sich die Roboter vervielfältigt und ein Eigenleben entwickelt haben.
"Sie fangen an, miteinander zu reden, und schon bald haben wir eine völlig fremde, künstliche Lebensform, ein echtes Franken-Ding. Und ich stimme zu, dass das erschreckend wäre, wenn es wahr wäre, aber ich bestreite sogar die mögliche Existenz dieses Dings", sagt Smalley.
"Wir sind so weit von etwas entfernt, das auch nur im Entferntesten mit einem sich selbst zusammensetzenden Roboter vergleichbar ist, dass es albern ist, sich jetzt darüber Gedanken zu machen."
