Forscher finden einen neuen Weg, Medikamente direkt in Krebszellen zu transportieren

Forscher der National University of Singapore (NUS) haben eine Hochdurchsatzmethode zur Identifizierung von Goldnanopartikeln entwickelt, die Therapien direkt an Mitochondrien (die Energiezentren in Krebszellen) liefern können.

Durch die Kennzeichnung von Nanopartikeln mit einzigartigen DNA-„Barcodes“ konnte das Team Dutzende von Designs gleichzeitig in lebenden Tumormodellen verfolgen und vergleichen und schnell diejenigen identifizieren, die dieses wichtige subzelluläre Ziel am effektivsten erreichen.

Der Ansatz ermöglicht es Forschern, systematisch zu bewerten, wie das Design von Nanopartikeln, einschließlich Form, Größe und Oberflächenchemie, ihre Fähigkeit beeinflusst, sich in Tumoren anzusammeln und Mitochondrien zu erreichen. Unter den getesteten Kandidaten schnitten zwei Formulierungen besonders gut ab. Eines davon, ein mit Folsäure modifiziertes kubisches Goldnanopartikel, erreichte in präklinischen Studien eine Tumorregression von 99 Prozent, wenn es in einer kombinierten Behandlung mit auf Mitochondrien gerichteter RNA-Therapie und milder photothermischer Therapie eingesetzt wurde.

Unter der Leitung von Assistenzprofessor Andy Tay vom Department of Biomedical Engineering am College of Design and Engineering und dem Institute for Health Innovation & Technology an der NUS zeigt die Studie, wie große Bibliotheken von Nanomaterialien effizient in lebenden Systemen untersucht werden können, und bietet so einen rationalen Rahmen für die Entwicklung von Nanopartikeln, die Medikamente mit weitaus größerer Präzision abgeben. Die Studie wurde veröffentlicht in Fortschrittliche Materialien am 17. Februar 2026.

Ein Barcodesystem zur Navigation im Körper

Mitochondrien sind attraktive Ziele in der Krebstherapie, da sie Schlüsselprozesse wie die Energieproduktion und den programmierten Zelltod regulieren. Die direkte Abgabe von Medikamenten an diese Organellen kann den Tumorstoffwechsel stören und den Tod von Krebszellen auslösen. Allerdings müssen Nanopartikel eine Reihe biologischer Barrieren überwinden, bevor sie die Mitochondrien erreichen: Sie wandern durch den Blutkreislauf, dringen in Tumore ein, dringen in Zellen ein und entkommen zellulären Kompartimenten, die andernfalls die therapeutische Ladung abbauen würden.

Um Nanopartikel an die richtige Stelle im Körper zu bringen, müssen sie einen komplizierten Hindernisparcours durchlaufen. Durch die Nutzung von DNA-Barcodes können wir viele Nanopartikeldesigns gleichzeitig in lebenden Systemen verfolgen und schnell identifizieren, welche erfolgreich durch verschiedene biologische Hürden springen können.“

Andy Tay, Assistenzprofessor, Abteilung für Biomedizintechnik, College of Design and Engineering, National University of Singapore

In der Studie wurde jede Goldnanopartikelformulierung mit einer einzigartigen DNA-Sequenz versehen, sodass die Forscher ihre Verteilung mithilfe von Sequenzierung der nächsten Generation verfolgen konnten. Das Team testete eine Bibliothek mit 30 Nanopartikeldesigns, die sich in Form, Größe und Zielliganden unterschieden. Nach der Verabreichung der gepoolten Nanopartikel an tumortragende präklinische Modelle analysierten die Forscher, wo sich jedes Design ansammelte – von ganzen Organen über bestimmte Tumorzelltypen bis hin zu Mitochondrien.

Dieser Multiplex-Ansatz generierte mehr als 1.000 In-vivo-Datenpunkte und erforderte rund 30-mal weniger In-vivo-Modelle als herkömmliche Einzel-Screening-Experimente.

Die Arbeit baut auf der früheren Studie des Teams auf, die im November 2024 veröffentlicht wurde und erstmals die Verwendung von DNA-Barcodes zur Verfolgung der Bioverteilung von Nanopartikeln in Tumoren demonstrierte. Während in der vorherigen Studie sechs Nanopartikeldesigns auf Gewebeebene verglichen wurden, erweitert diese neue Studie die Bibliothek erheblich und erweitert die Plattform zur Analyse des Verhaltens auf zellulärer und subzellulärer Ebene.

„Die Ergebnisse brachten eine wichtige Erkenntnis zutage: Nanopartikel, die sich effizient in Tumoren ansammelten, erreichten auch mit weitaus größerer Wahrscheinlichkeit die Mitochondrien“, fügte Asst Prof. Tay hinzu. „Mit anderen Worten: Ein erfolgreiches Tumor-Targeting scheint eine Voraussetzung für eine effektive subzelluläre Verabreichung zu sein.“

Unter den getesteten Nanopartikelformulierungen erregten zwei die Aufmerksamkeit des Teams. Große, mit Folsäure modifizierte, kugelförmige Partikel reichern sich stark in Tumoren an, teilweise aufgrund einer schützenden Proteinschicht, die die Zirkulation im Blutkreislauf verlängert. Unterdessen gelangten große kubische Nanopartikel durch Clathrin-vermittelte Endozytose – einen zellulären Aufnahmeweg – effizienter in Tumorzellen und ermöglichten so eine effektive mitochondriale Abgabe.

Ein Schritt in Richtung Präzisions-Nanomedizin

Um das therapeutische Potenzial dieser Erkenntnisse zu erforschen, testeten die Forscher die kubische Nanopartikelformulierung in einer kombinierten Behandlungsstrategie. Die Partikel wurden so konstruiert, dass sie Small Interfering RNA (siRNA) abgeben, die die mitochondriale Genexpression stört, und gleichzeitig durch photothermische Therapie Wärme unter Nahinfrarotlicht erzeugen.

Dieser duale Ansatz führte in präklinischen Studien zu starken krebshemmenden Wirkungen. Bei gemeinsamer Anwendung führten die Behandlungen bereits nach einer Einzeldosis zu einer nahezu vollständigen Tumoreliminierung.

Über die direkte Abtötung von Krebszellen hinaus interagierten die Nanopartikel auch mit tumorassoziierten Makrophagen (Immunzellen, die normalerweise das Tumorwachstum unterstützen). Die Therapie schien diese Zellen in einen tumorbekämpfenden Zustand zu versetzen, was darauf hindeutet, dass der Ansatz dazu beitragen könnte, die Immunumgebung des Tumors neu zu gestalten.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Design von Nanopartikeln nicht von einem einzigen Faktor wie Form oder Größe bestimmt wird“, fügte Asst Prof. Tay hinzu. „Stattdessen interagieren mehrere Eigenschaften auf komplexe Weise. Hochdurchsatz-Screening-Plattformen wie unsere ermöglichen es uns, diese Zusammenhänge aufzudecken und bei der Entwicklung von Nanomedizin über Versuch und Irrtum hinauszugehen.“

Die Plattform könnte die Entwicklung der Präzisionsnanomedizin beschleunigen, indem sie es Forschern ermöglicht, schnell Nanopartikeldesigns zu identifizieren, die für bestimmte biologische Ziele geeignet sind. Mögliche Anwendungen umfassen die gezielte Bereitstellung von RNA-Therapien, Behandlungen zur Gen-Stilllegung und photothermische Wirkstoffe gegen Krebs und andere Krankheiten.

Für die Zukunft plant das Forschungsteam, die Nanopartikelbibliothek weiter zu erweitern und Automatisierungs- und künstliche Intelligenz-Tools zu integrieren, um die großen Datensätze zu analysieren, die von der Screening-Plattform generiert werden. Die Forscher wollen die Methode auch auf andere Zellorganellen ausweiten und so neue Möglichkeiten für die hochspezifische Wirkstoffabgabe innerhalb von Zellen eröffnen.

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