Nanopartikel sind ungefähr 500-mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haars und können Schutzbarrieren des Körpers passieren, ohne diese zu verletzen. Das macht sie interessant für die Medizin: Hat sich beispielsweise ein Tumor im Gehirn eingenistet, versteckt sich dieser hinter der Blut-Hirn-Schranke, einem Filter zwischen Blutkreislauf und Gehirn, den viele Medikamente nicht passieren können. Nanopartikel könnten jedoch Wirkstoffe durch diese Barriere ins Gehirn transportieren und dort den Tumor bekämpfen.
Wo landen Nanopartikel im Körper?
Je nach Form, Material und Größe verteilen sich die Nanopartikel jedoch unterschiedlich im Körper. Forschende versuchen deshalb herauszufinden, welche Partikel bestimmte Aufgaben bestmöglich ausführen und dabei möglichst keinen Schaden anrichten. Dafür wurden bislang meistens Tierversuche mit Mäusen durchgeführt. Den Mäusen wurde dabei verschiedene Nanomaterialien verabreicht und anschließend untersucht, wie sich diese im Körper verteilten und welche Nebenwirkungen auftreten.
Allerdings sind solche Tierstudien aufwändig, langwierig, teuer und auch aus ethischer Sicht problematisch. Deshalb verlangen Tierschutzgesetze, die Anzahl der verwendeten Tierversuche auf das notwendige Minimum zu beschränken. Ein Team um Jimeng Wu von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa hat deswegen ein virtuelles Modell entwickelt, das die Organe und Körperprozesse einer Maus nachbildet. Grundlage dafür waren Daten aus 18 echten Mausstudien, ergänzt durch maschinelles Lernen.
Virtuell statt lebendig
Der Clou daran: Dieser KI-Maus können die Forschenden virtuelle Nanopartikel „verabreichen”. Das Modell simuliert dann, wie die verschiedenen Stoffe aufgenommen, im Körper verteilt und ausgeschieden werden. „Dieses KI-gestützte Screening-Instrument erlaubt es Forschenden, virtuell zu testen, welche Art von Nanopartikeln sich am besten für eine bestimmte Aufgabe eignet, bevor sie diese Partikel überhaupt herstellen”, erklärt Wu. Durch ihre ersten Tests haben sie und ihre Kollegen bereits herausgefunden, dass die Größe, Oberflächenladung und Beschichtung der Nanopartikel eine entscheidende Rolle dafür spielen, in welche Gewebe und Organe die Nanopartikel gelangen.
Mithilfe der KI-Maus könnten Forschungsteams künftig neu entwickelte Nanopartikel zunächst am Computer testen, bevor sie die vielversprechendsten Kandidaten herstellen und weiter untersuchen. Ziel ist es, dadurch die Entwicklung von Medikamenten zu beschleunigen und Tierversuche zu reduzieren. Langfristig soll das Modell auch auf den Menschen übertragen werden. Dann könnte es etwa vorhersagen, welche Nanopartikel empfindliche Organe wie das Gehirn erreichen und sich für gezielte Therapien eignen.
Quelle: Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt; Fachartikel: ACS Nano, doi: 10.1021/acsnano.5c03040
