Nanotechnik für den Lebenssaft

Menschen bluten ständig – ohne es zu merken. Denn die kleinsten Äderchen – die Arteriolen und Kapillaren – sind mit Zellen ausgekleidet, die die Blutgefäße abdichten wie Fliesen die Wand eines Schwimmbades. Weil es in den Äderchen aber so eng ist, wird das Blut von der Wand sehr stark abgebremst, so dass es ständig solche Fliesen mitreißt – kleine Lecks entstehen, durch die Blut hinaus fließen kann. Doch die Löcher werden so schnell wieder gestopft, wie sie entstehen. Ein großes Eiweißmolekül im Blut bleibt an den Löchern hängen und löst ein Gerinnsel aus: Blutplättchen kleben an ihm fest und verschließen das Loch wieder, bis eine neue Fliese nachgewachsen ist. Das Eiweiß heißt Von-Willebrand-Faktor. Als der Physiker Matthias Schneider von der Universität Augsburg zum ersten Mal davon hörte, wunderte er sich darüber, wie es funktioniert.

"Je stärker Sie spülen, desto besser bleibt er hängen. Das war das, was sozusagen den Verstand des Physikers kitzelte. Also das wäre, wie Sie sich vorstellen können, in Ihrer Küche fatal: Sie halten Ihren Teller zum Abwischen unter den Waschhahn, drehen auf, und je stärker Sie aufdrehen, desto stärker klebt das Zeugs. Das wäre übel."

Schneiders Gruppe hat zusammen mit Medizinern von der Universität Münster und theoretischen Physikern der Universität München herausgefunden, dass das Protein eine lange Kette ist, die sich jedoch unter normalen Umständen zu einem Knäuel aufrollt – wie eine zusammengerollte Stahlfeder. Dann sind nur wenige Rezeptoren an der Oberfläche. In den engen Äderchen wird das Blut jedoch an der Wand stark abgebremst. Durch diesen Bremseffekt auf kleinstem Raum streckt sich das Reparatur-Molekül, es ragen viel mehr Rezeptoren nach außen, mit denen es sich an kleinen Verletzungen festhalten kann.

"Das heißt, die Ursache für eine Verletzung unserer Gefäßwand hat dieselbe Ursache wie das Entrollen des Von-Willebrand-Faktors. Damit habe ich ein System, bei dem Ursache der Verletzung und Ursache des ersten Schritts der Heilung die gleiche sind."

Herausgefunden haben die Wissenschaftler das mit Hilfe einer winzigen Versuchsanordnung. Auf den ersten Blick sieht sie aus wie ein ganz normales Glasplättchen. Was mit bloßem Auge nicht zu erkennen ist: Es ist mit Bindegewebe und Zellen beschichtet, so wird die Wand der menschlichen Adern simuliert. Das wichtigste Element dieses Miniatur-Labors ist aber in ein zweites Plättchen eingebaut: eine Nano-Pumpe. Sie hat mit einer normalen Pumpe mit Kolben und Zylinder wenig gemein: Mit elektrischen Impulsen versetzen die Forscher die Oberfläche des Plättchens in Schwingungen. Sie erzeugen ein Nano-Erdbeben, das das Blut anschubst und fortbewegt. So können sie auf dem Chip Verhältnisse wie in den Arteriolen und Kapillaren nachstellen. Schneider sieht in dem Projekt ein gelungenes Beispiel für interdisziplinäre Forschung.

"Wir waren motiviert, von der Grundlagenforschung zu verstehen, wie Von-Willebrand-Faktor funktioniert, haben eine Technik dazu gebastelt, das zu untersuchen, haben physikalisch-biophysikalische Experimente zusammen mit Medizinern durchgeführt, um das zu verstehen. Und auf dieser Grundlage bauen wir jetzt eine Technologie, soviel zum Interdisziplinären. Das ist absolut notwendig."

Der Vorteil bei dieser Technik: Blut und Pumpe können sich auf zwei verschiedenen Plättchen befinden – das Nano-Erdbeben setzt sich vom einen ins andere fort.

"Das ist für die Anwendung enorm wichtig. Denn wenn Kontakt da sein müsste zwischen Blut und dem Chip, würde das heißen, nach jedem Patienten wird komplett ein neuer Chip gebraucht, beziehungsweise der Chip muss intensiv gereinigt werden. Das wäre natürlich ein irrer Aufwand. Gerade in der Biotechnologie ist eines der größten Probleme die Reinigung natürlich, weil wenn Sie die nicht ordentlich reinigen, haben sie Verschleppungen, und Sie messen beim fünften Patienten am Tag, was der erste eigentlich hatte."

Das Prinzip funktioniert – jetzt entwickeln die Wissenschaftler zusammen mit Firmen ein Analysegerät, das mit einem Tropfen Blut feststellen kann, ob ein Patient unter Blutgerinnungsstörungen leidet. Und gleichzeitig, wie gut Blutgerinnungshemmer wie etwa Acetylsalicylsäure bei ihm wirken. Sie sind vor allem für ältere Patienten wichtig, etwa um Thrombosen vorzubeugen. Vier oder noch mehr Tests sollen in einem Rutsch möglich werden. Die Firmen entwickeln ein optisches System das die Probenplättchen auswerten kann. Die Augsburger arbeiten jetzt daran, ihre Methode zu eichen.