Einsatz von Nanotechnologien in der Präzisionsmedizin

Abstract

Präzisionsmedizin berücksichtigt individuelle genetische, umweltbedingte und lebensstilbezogene Unterschiede, um Diagnosen, Präventionsstrategien und Behandlungen individuell maßzuschneidern. Die Einführung von Nanotechnologien in der Präzisionsmedizin bietet Chancen zur Verbesserung personalisierter und zielgerichteter Ansätze für Diagnose, Therapie und Forschung. Nanotechnologien haben das Potenzial, Krankheiten im Körper auf molekularer Ebene zu erkennen, zu überwachen und zu behandeln.

Eine besonders relevante Nanotechnologie sind Nanogeräte. Nanogeräte sind miniaturisierte elektronische, biologische oder biohybride Geräte mit nanoskaligen Komponenten, die seit den frühen 2000er Jahren im medizinischen Kontext Beachtung finden. Die Integration von Nanotechnologien und Nanogeräten in die medizinische Forschung und Praxis birgt Herausforderungen. Die vorliegende Arbeit adressiert diese Herausforderungen und bietet innovative Strategien zur Verbesserung der Wirksamkeit und Anwendbarkeit von Nanotechnologien in der Medizin. Es mangelt beispielsweise an umfassenden Konzepten für die Konstruktion und die effektive Nutzung von Nanogeräten. Ein vielversprechender und universeller Lösungsansatz hierfür sind DNA-Nanonetzwerke auf Basis von DNA-Tile-Nanorobotern. Diese werden vorgestellt, und anhand eines Beispielszenarios zur Krankheitserkennung in vitro wird ihre praktische Anwendung veranschaulicht und ihre Potenziale werden aufgezeigt.

Da derzeit wenige Nanogeräte in vivo getestet werden können, ermöglichen vor allem Simulationen die Theorien und Konzepte für die Entwicklung von Nanogeräten zu überprüfen und anzupassen. Die realistische Simulation von Nanogeräten in ihrem Einsatzbereich dem menschlichen Körper ist demnach unerlässlich, um Forschungshypothesen zu evaluieren und den Fortschritt in diesem Bereich zu beschleunigen. Obwohl Ansätze zur Simulation existieren, fehlt eine ganzheitliche Architektur, um komplexe Szenarien realistisch abzubilden.

Die Arbeit präsentiert eine umfassende Simulationsarchitektur namens MEHLISSA. Diese Architektur ermöglicht die Modellierung medizinischer Nanonetzwerke auf verschiedenen Ebenen, von der Körperebene, über Organ- und Kapillar- bis zur Zellebene. Es werden vier relevante Szenarien modelliert, um die Vorteile der Simulation und den Einsatz von Nanogeräten zu demonstrieren. Diese Szenarien umfassen die Verbesserung medizinischer Maßnahmen durch individuelle Körpermodelle als Basis für Digital Twins, die kontinuierliche Gesundheitsüberwachung mittels Nanogeräten im Blutkreislauf, die Prävention von Metastasen durch Nanogeräte sowie die Anwendung der Liquid Biopsy in vivo zur Krebsdiagnostik und -überwachung. Die Simulationen zeigen vielversprechende Ergebnisse, darunter die zuverlässige Bestimmung von Schwellenwerten für relevante Marker im Körper und die Detektion von Kleinstmengen an ctDNA durch Nanogeräte. Sie demonstrieren den potenziellen Nutzen von Nanogeräten zur Verbesserung der Diagnostik und Behandlung von Krankheiten.

Ein weiteres ungeklärtes Problem ist die genaue Lokalisierung von Nanogeräten und Krankheitsmarkern, die eine wichtige Basis für eine verbesserte Krankheitserkennung und gezielte Medikamentenabgabe sind. Hierfür wird ein neuer Ansatz basierend auf lokaler Mustererkennung und individuellen Proteom-Fingerprints wichtiger Organe und Gewebe entwickelt. Durch die Kombination von Proteom-Fingerprinting und DNA-Nanonetzwerken wird eine präzise Lokalisierung von Krankheitsmarkern ermöglicht. Die Simulationen belegen die Wirksamkeit der Methode in neun wesentlichen Organen innerhalb weniger Minuten. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Kombination aus Proteom-Fingerprinting und DNA-Nanonetzwerken entscheidend für eine genauere und schnellere Diagnose sowie Behandlung sein könnte.

Diese Dissertation trägt somit zur Erforschung und Anwendung von Nanotechnologien in der Medizin bei, indem sie sowohl theoretische Grundlagen als auch praktische Anwendungen und Simulationen liefert. Es wird deutlich, dass der Einsatz von Nanotechnologien in der Medizin zu einer verbesserten Früherkennung und Behandlung von Krankheiten führen kann.