Neues Nanothermometer zur kontaktlosen Temperaturmessung an Krebstumoren

Nanoteilchen werden bereits im Rahmen von Pilotstudien an ersten Patienten zur hyperthermischen Behandlung in der Krebstherapie eingesetzt. Mit Anwendung von multifunktionellen gefüllten Kohlenstoffnanoröhren (Carbon nanotubes=CNTs) beschäftigen sich im IFW mehrere von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und von der EU geförderte Projekte – so z.B. das europäische Forschungsprojekt CARBIO, das seit Ende 2006 am IFW Dresden koordiniert wird.

Im Rahmen dieses Projektes 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, d.h. die Zeit, die die Magnetisierung eines angeregten Teilchens benötigt um wieder zum Ausgangszustand zu kommen, ein solcher temperaturabhängiger Parameter.

Misst man diesen Parameter mit Hilfe der Magnetresonanz, kann auf die genaue Temperatur in der Umgebung des Kupferjodids geschlossen werden. 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 5 bis 20 nm und einer Länge von 10 bis 30 µm hergestellt. Mehrwandige CNTs können in den äußeren Lagen noch mit funktionellen Gruppen ausgestattet werden, so dass sie vom Körper besser aufgenommen werden. Nach einer thermischen Behandlung bei 450 °C sowie Ultraschallbehandlungen mit Salzsäure und Salpetersäure öffnen sich die Nanoröhrchen. Die Röhrchen wurden anschließend mit Kupferjodid gefüllt, 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 7 Tesla zeigten den Forschern, dass für die Relaxationszeit und die Resonanzfrequenz eine deutliche Temperaturabhängigkeit im Bereich von 5 bis 320 Kelvin (entsprechend max. 47 ° Celsius) besteht. Die beste Auflösung ergab sich für die Relaxationszeit mit einer Messgenauigkeit von 2 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 somit grundsätzlich möglich, wobei jedoch die Messgenauigkeit noch erhöht werden muss. Zurzeit untersuchen Wissenschaftler am IFW deshalb weitere mögliche Füllmaterialien für CNTs.

Kontakt:

Dr. Anja Wolter (wissenschaftlich)
Leibniz-Institut für Festkörper und Werkstoffforschung IFW Dresden e.V.
Institut für Festkörperforschung IFF
Tel. 0351-4659-619
a.wolter@ifw-dresden.de
Dr. Anke Dürkoop (CARBIO-Projektmanagement)
Leibniz-Institut für Festkörper und Werkstoffforschung IFW Dresden e.V
Institut für Festkörperforschung IFF
Tel. 0351-4659-777
a.duerkoop@ifw-dresden.de
Publikation:
Vyalikh et al. 2008, Nanomedicine 3 (2008), p. 321 – 327: „A carbon-wrapped nanoscaled thermometer for temperature control in biological environments“