Forschende von Helmholtz Munich, der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und der Technischen Universität München (TUM) haben eine Methode entwickelt, die es erstmals ermöglicht, Nanocarrier – winzige Transportvehikel – im gesamten Körper einer Maus bis auf Einzelzellebene präzise nachzuverfolgen. Die „Single-Cell Profiling of Nanocarriers“ (kurz „SCP-Nano“) kombinieren modernste Bildgebungstechnologien mit künstlicher Intelligenz und liefert Einblicke in die Funktionsweise nanotechnologie-basierter Therapien.
Nanocarrier werden eine zentrale Rolle in der nächsten Generation lebensrettender Medikamente spielen. Sie ermöglichen die gezielte Verabreichung von Wirkstoffen, Genen oder Proteinen an Zellen im Körper der Patient:innen. Forschende von Helmholtz Munich, der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und der Technischen Universität München (TUM) haben eine Methode entwickelt, die es erstmals ermöglicht, Nanocarrier – winzige Transportvehikel – im gesamten Körper einer Maus bis auf Einzelzellebene präzise nachzuverfolgen.
Mit den „Single-Cell Profiling of Nanocarriers“ (kurz „SCP-Nano“) können Forschende die Verteilung selbst kleinster Mengen von Nanocarriern im gesamten Körper einer Maus analysieren und jede einzelne Zelle sichtbar machen, die diese aufgenommen hat. Die Ergebnisse, veröffentlicht in Nature Biotechnology, ebnen den Weg für sicherere und effektivere Behandlungen, einschließlich mRNA-Impfstoffe und Gentherapien.
SCP-Nano kombiniert optisches Gewebeclearing, Lichtblattmikroskopie und Deep-Learning-Algorithmen. Zunächst wurden die Maus-Körper vollständig transparent gemacht. Nach der dreidimensionalen Bildgebung können die Nanocarrier im durchsichtigen Gewebe bis auf Einzelzellebene identifiziert werden. Durch die Einbindung von KI-gestützter Analyse können Forschende präzise bestimmen, welche Zellen und Gewebe mit den Nanocarriern interagieren – und an welchen Stellen dies genau geschieht.
Beispiele für Nanocarrier, die Ali Ertürk, Direktor des Instituts für Intelligente Biotechnologien (iBIO) bei Helmholtz Munich, und sein Team mithilfe von SCP-Nano analysiert haben, umfassen Lipid-Nanopartikel (LNPs), DNA-Origami-Strukturen und Adeno-assoziierte Viren (AAVs). Diese Nanocarrier sind unverzichtbar für moderne Therapeutika, die Krankheiten an ihren zellulären Ursprüngen bekämpfen. Sie besitzen jeweils einzigartige Eigenschaften, die sie für verschiedene Anwendungen prädestinieren: DNA-Origami-Strukturen sind einfach programmierbar, AAVs sind äußerst effiziente Träger für die Gentherapie, und LNPs ermöglichen die gezielte RNA-Abgabe – die Grundlage moderner mRNA-Impfstoffe und vieler anderer RNA-Therapien.
Mit SCP-Nano konnten die Forschenden zeigen, dass DNA-Origami-Strukturen bevorzugt Immunzellen erreichen, während AAV-Varianten gezielt bestimmte Hirnregionen und Fettgewebe ansteuern. Besonders bemerkenswert ist, dass die Plattform aufdeckte, dass sich Lipid-Nanopartikel mit mRNA-Therapeutika im Herzgewebe anreichern können. Mit Hilfe von SCP-Nano können Forschende daher potenziell problematische Off-Target-Gewebe und damit verbundene Toxizitäten bereits vor dem Beginn klinischer Studien identifizieren. Außerdem konnten die Nanocarrier im gesamten Körper in extrem niedrigen Dosen bis zu 0,0005 mg/kg nachgewiesen werden. Dies ebnet den Weg für die Entwicklung sichererer und wirksamerer mRNA-Therapeutika.
Durch die Kombination modernster Bildgebungs- und KI-Technologien bietet SCP-Nano Forschenden und Kliniken ein neues Verständnis darüber, wie Therapien mit dem Körper interagieren, und lässt sich problemlos auf menschliche Gewebe und Organe übertragen. Mit seinem Potenzial, Nebenwirkungen zu minimieren und die Präzision von Behandlungen zu erhöhen, stellt SCP-Nano einen wichtigen Schritt in Richtung sicherer und effektiver Therapien in Bereichen wie der Krebsbehandlung, Gentherapie und Impfstoffentwicklung dar.
Original-Publikation: Luo, Molbay, Chen, Horvath, Kadletz, Kick, Zhao et al., 2025: Deep Learning Powered Imaging of Nanocarriers Across Entire Mouse Bodies at Single-Cell Resolution. Nature Biotechnology. DOI: 10.1038/s41587-024-02528-1