Nanotechnologie – Mediziner als Reparierer der molekularen Maschine?

Nebst den Lebenswissenschaften und der IT gilt die Nanotechnologie als „Schlüsselwissenschaft“ des 21. Jahrhunderts. Eine solche Rhetorik lässt natürlich immer auch den Verdacht zu, dass uneinlösbare Erwartungen geschürt werden, um den Wettbewerb der Forschung um öffentliche Aufmerksamkeit und Finanzierung gewinnen zu können. Nanotechnologie ist aber auch ein Sinnbild eines sich verändernden Blickwinkels auf Lebensprozesse – und damit für die Medizin von Relevanz. Kürzlich hat eine Studie des Schweizer Instituts für Technikfolgenabschätzung sich der Frage angenähert, welchen Einfluss Nanotechnologie auf die Medizin des 21. Jahrhunderts haben könnte.

Eine der erstaunlichen Eigenschaften von Lebewesen ist, dass die Materie, aus der sie bestehen, derart fein strukturiert ist. Man kann um viele Grössenordnungen in ein Lebewesen „reinzoomen“ – Millimeter, Mikrometer, Nanometer - und findet immer wieder geordnete Strukturen von einer unglaublichen Vielfalt. Man muss sich dagegen einmal die Werke der Technik vor Augen halten, welche von einer solchen Strukturvielfalt um viele Grössenordnungen entfernt sind. Selbst der Computerchip – das bisher wohl strukturell reichthaltigste, massenproduzierte Stück Technologie der Menschheit – kann da nicht mithalten, denn ein Chip ist letztlich eben, lebende Zellen füllen den Raum mit ihrer Strukturvielfalt. Der Kern der Vision der Nanotechnologie ist es, diese sehr breite Kluft zwischen Leben und Technik enger zu machen. Das im Jahr 1986 erschienene, visionäre Buch von Eric Drexler macht diese Idee im Titel des Buches deutlich: „Engines of Creation“. Auch die Angst vor einer solchen Technologie erhält eine Überhöhung, die man bisher nur in der Gentech-Debatte erlebt hat: Kleine, bösartige, sich selbst vervielfältigende Nanoroboter, beschrieben etwa im Buch „Prey“ (Beute) von „Jurassic Parc“-Autor Michael Crichton.

Was ist Nanotechnologie?

Angesichts eines solchen ideologischen Ballastes stellt sich wohl zuerst die Frage, was Nanotechnologie überhaupt sein soll. Die Kleinheit allein der involvierten Strukturen – die Grössenordnung geht von 1 bis etwa 100 Nanometern (Milliardstel Meter) und erreicht damit die Grösse von (Makro-)Molekülen – kann es nicht sein, sonst würden beispielsweise Chemiker schon lange Nanotechnologie betreiben. Ein weiterer Wesensmerkmal der Nanotechnologie ist es, diese kleinen Strukturen zielgenau manipulieren zu können. Die von der Wissenschaft erstellten Vorstellungen und Pläne, wie solche Strukturen aussehen sollten, sollen damit im Nanomassstab umgesetzt werden. Insofern kann erst dann von Nanotechnologie gesprochen werden, wenn entsprechende Instrumente für die Nano-Manipulation vorliegen. Ein solches wurde 1981 am IBM-Labor von Gerd Binning und Heinrich Rohrer entwickelt: das Raster-Kraft-Mikrospkop, das nicht nur einen Blick in die Nanowelt erlaubt, sondern auch deren Manipulation.

Die wissenschaftlichen und technischen Möglichkeiten, die sich in der „Zwergenwelt“ (das griechische „nano“ bedeutet „Zwerg“) ergeben, hatte bereits der Physiker Richard Feynman 1959 in einem berühmten Vortrag mit dem Titel „Es gibt viel Platz dort unten“ skizziert. Auch heute sind viele Forscher aus den Gebieten Chemie, Physik, Materialtechnik und Molekularbiologie enthusiastisch bezüglich der Möglichkeiten des neuen Gebietes. Wirklich technische Anwendungen gibt es aber auch heute nur wenige, so dass es eigentlich angebrachter wäre, von „Nanowissenschaft“ denn von „Nanotechnologie“ zu sprechen.

Nanotechnologie und Medizin

Warum sollte denn Nanotechnologie ausgerechnet für die Medizin ein Thema sein? Darauf lassen sich zwei Antworten geben: Erstens entwickelt die Nanotechnologie das Bild des Lebens als „molekulare Maschine“ weiter und prägt damit eine ganz bestimmte Vorstellung von Medizin. Zweitens hat die Forschung in einigen Bereichen Anwendungen der Nanotechnologie entwickelt, die in wenigen Jahren den Weg in die medizinische Praxis finden dürften. Da stellen sich die Fragen nach Nutzen und Risiken solcher Anwendungen. Aus diesem Grund hat das Schweizer Zentrum für Technikfolgenabschätzung eine Studie in Auftrag gegeben, welche kürzlich der Öffentlichkeit vorgestellt wurde (siehe „Buchhinweise“).

Hinsichtlich der Anwendungen lassen sich bei der Nanotechnologie generell ein rein technologischer von einem medizinischem Bereich unterscheiden. Ersterer sucht für neue Strategien des Chipdesign und der Materialtechnologie – etwa Oberflächen mit besonderen Eigenschaften. Diese Anwendungen erregen weniger öffentliches Interesse als jene der Medizin. Hier – so denken die im Rahmen der Studie befragten Experten – lassen sich Fortschritte in vier Bereichen erwarten, die aber unterschiedlich lange auf sich warten lassen dürfen.

Mögliche Anwendungen

So ist die Diagnostik am frühesten von der Nanotechnologie betroffen. Seit längerem erforscht werden beispielsweise so genannte „quantum dots“ – Nanokristalle, die bei Bestrahlung mit bestimmten Formen von Licht fluoreszieren und die an Markiersubstanzen gekoppelt werden können. Die Lichtabgabe ist ein quantenmechanischer Vorgang, deshalb die Namensgebung. Damit lassen sich beispielsweise krankhafte Zellen in einer Probe schnell identifizieren. Nanotechnologie dürfte durch die Konstruktion entsprechender Chips auch den gleichzeitigen Nachweis sehr vieler Substanzen erlauben, was entsprechende Diagnosen in medizinischen Labors sehr viel schneller machen würde. Solche Verfahren dürften zwischen 2005 bis 2010 Eingang in die Praxis finden.

Ebenfalls intensiv erforscht werden neue Wege der Wirkstoffabgabe. Geplant ist etwa, kleinste Wirkstoffmengen (nur wenige Moleküle) in eine Nanostruktur einzuschliessen, die in die Zellen eindringen und die Wirkstoffe zielgenau abgeben kann (beispielsweise im Zellkern). Nanostrukturen sind so klein, dass sie vom Immunsystem nicht erkannt werden – was von Vor- wie auch von Nachteil sein kann. Solche Formen von Drug-Targeting dürfte nach Ansicht der Experten etwa im Jahr 2013 aktuell werden.

Hinsichtlich therapeutischer Möglichkeiten sind Anwendungen in der Krebsforschung am viel versprechendsten. Ein Interessantes, bereits klinisch erprobtes Konzept sieht vor, kleinste magnetische Teilchen mit Markern zu koppeln, die spezifisch auf Krebszellen ansprechen. Diese Teilchen lagern sich dann bei Tumoren an und können durch Magnetfelder in Schwingung gebracht werden. Die damit erzeugte Wärme soll den Tumor zum Absterben bringen, ohne dass das umliegende Gewebe stark in Mitleidenschaft gezogen werden sollte.

Am längsten dürfte es aber dauern, bis die Nanotechnologie zu Anwendungen in der Prothetik führen dürfte. Interessant ist hier einerseits die Veränderung der Oberfläche von Implantaten derart, damit sie vom Körper besser akzeptiert werden. Erforscht werden auch Kontroll-Interfaces, also Chips, welche an das Nervensystem gekoppelt werden könnten. Am meisten Science-Fiction sind aber Nanoroboter, welche beispielsweise in die Blutbahn gespritzt werden sollen und verstopfte Arterien reinigen würden. Die technischen Probleme, die sich hier stellen (etwa hinsichtlich der Energieversorgung und der Steuerung der Systeme) sind immens, so dass solche Systeme noch in weiter Zukunft kaum realisiert werden dürften. Auch bei weniger spektakulären Anwendungen der Nanotechnologie stellen sich eine Reihe wichtiger praktischer Fragen: Unklar ist etwa, wie man grosse Mengen von Nanostrukturen herstellen will – der Schritt vom Labor in die grosstechnische Produktion ist nicht einfach. Zweifel bestehen auch bezüglich der Lagerfähigkeit der Strukturen – diese dürfen sich schliesslich nicht stark verändern, damit sie ihre Wirkung beibehalten.

Die molekulare Maschine

Nebst diesen praktischen Aspekten wird von der Nanotechnologie auch ein Bild über Lebensvorgänge mitgetragen, welches das künftige Bild der Medizin prägen dürfte: Die Idee, dass Lebensvorgänge von komplexen molekularen Maschinen umgesetzt werden und damit auch bis ins kleinste Detail zumindest prinzipiell für Technologie zugänglich sind. Dieses Bild verändert natürlich die klassische Definition einer Maschine, wonach eine Maschine von einem Erfinder stammen und ihnen ein Plan zugrunde liegt, Maschinen für einen bestimmten Zweck gebaut sind und in der Regel auch funktionieren sollten. In einem religiösen Kontext mag man ein solches Maschinenbild mit dem Leben noch in Verbindung bringen (mit Gott als Konstrukteur), doch die naturwissenschaftliche Auffassung vom Leben steht mit dem klassischen Bild einer Maschine im Widerspruch. So ist die „molekulare Maschine“ Ergebnis eines sich über viele Jahrmillionen erstreckenden evolutionären Prozess. Zudem müssten Nanomaschinen – so sie denn gebaut werden können – über Eigenschaften verfügen, die man klassischen Maschinen bisher nicht verliehen hat: Selbstorganisation, die Fähigkeit zur Selbstreparatur und vielleicht auch Replikationsfähigkeit.

Da auch die Unersuchung solch grundlegender Prinzipien mit zum Programm der Nanotechnologie gehören, weckt diese das Interesse der Forschungsförderung. So haben derzeit mehr als 35 Staaten Nanotech-Programme lanciert. Von 1997 bis 2003 haben sich die staatlichen Fördermittel in diesem Bereich versiebenfacht und stehen heute bei weltweit etwa drei Milliarden Dollar (2003). In der Schweiz gibt es drei grosse Programme: „Top Nano 21“ (gestützt vom ETH-Rat und der Kommission für Technologie und Innovation), das Nationale Forschungsprogramm 47 „Supramolekulare funktionale Materialien“ und der Nationale Forschungsschwerpunkt „Nanowissenschaft“ (angesiedelt an der Uni Basel). Schätzungen des wirtschaftlichen Marktes erreichen ebenfalls astronomische Summen. Die Unternehmensberatungsfirma „Frost & Sullivan“ prognostiziert für nanotechnologische Verfahren in der Medizin im Jahr 2015 ein Umsatzvolumen von bis zu 180 Milliarden Dollar.

Risiken der Nanotechnologie

Angesichts eines derartigen Booms muss die Frage nach den Risiken der Nanotechnologie gestellt werden. Die meisten der in der TA-Studie befragten Experten sehen kein grundsätzlich neues Risiko, das von der Nanotechnologie hervorgerufen wird. Das Hauptgefahrenpotenzial stellen die Nanopartikel dar – ein Problem übrigens, das schon früher unter dem Stichwort „Feinstaub“ diskutiert wurde. Das Grundproblem der Nanopartikel besteht darin, dass sie eine im Vergleich zur Masse grosse Oberfläche haben. Sie sind damit reaktionsfreudiger und mobiler und können deshalb beispielsweise auch die Blut-Hirn-Schranke durchbrechen. Noch ist kaum erforscht, was dies für einen Organismus bedeutet. Die Versicherungen jedenfalls – mit der Gentechdebatte im Hintergrund – wünschen eine möglichst umfassende Risikoabschätzung, um für allfällige neue Haftungsfragen gewappnet zu sein.