Verabreichung oder Unterstützung der Strahlentherapie
Rund die Hälfte aller Krebspatienten erhält im Laufe ihrer Behandlung eine Form der Strahlentherapie. Bei der Strahlentherapie werden hochenergetische Strahlen eingesetzt, um Tumore zu verkleinern und Krebszellen abzutöten. Die Strahlentherapie tötet Krebszellen ab, indem sie ihre DNA schädigt und so die Apoptose der Zellen auslöst. Die Strahlentherapie kann die DNA entweder direkt schädigen oder geladene Teilchen (Atome mit einer ungeraden oder ungepaarten Anzahl von Elektronen) in den Zellen erzeugen, die ihrerseits die DNA schädigen können. Bei den meisten Strahlungsarten, die zur Krebsbehandlung eingesetzt werden, kommen Röntgen- und Gammastrahlen sowie geladene Teilchen zum Einsatz. Als solche sind sie von Natur aus für alle Zellen giftig, nicht nur für Krebszellen, und werden in Dosen verabreicht, die so wirksam wie möglich sind, ohne den Körper zu sehr zu schädigen oder gar tödlich zu sein. Aufgrund dieses Zielkonflikts zwischen Wirksamkeit und Sicherheit in Abhängigkeit von Tumortyp, -ort und -stadium muss die Wirksamkeit der Behandlung oft auf einem niedrigeren Niveau bleiben, um das umliegende Gewebe oder die Organe in der Nähe der Tumormasse nicht zu stark zu vergiften.
Die nanotechnologiespezifische Forschung hat sich auf die Strahlentherapie als eine Behandlungsmodalität konzentriert, die von den Eigenschaften nanoskaliger Materialien und einer erhöhten Tumorakkumulation stark profitieren könnte. Die primären Mechanismen, auf die sich diese nanoskaligen Plattformen stützen, sind entweder die Verbesserung der Wirkung der Strahlentherapie, die Verstärkung der Therapie und/oder neuartige, extern angewandte elektromagnetische Strahlungsmodalitäten. Genauer gesagt beruhen die meisten dieser Nanotechnologie-Plattformen auf der Wechselwirkung zwischen Röntgenstrahlen und Nanopartikeln aufgrund der inhärenten Eigenschaften der verwendeten Materialien auf atomarer Ebene. Dazu gehören Nanopartikel mit hoher Z-Atomzahl, die die Compton- und photoelektrischen Effekte der herkömmlichen Strahlentherapie verstärken. Dadurch wird die Wirksamkeit erhöht, während die derzeitige Strahlentherapie-Dosis und die damit verbundene Toxizität für das umliegende Gewebe beibehalten wird. Andere Plattformen nutzen durch Röntgenstrahlen ausgelöste, medikamentenfreisetzende Nanopartikel, die das Medikament lokal an der Tumorstelle abgeben oder die Krebszellen für eine Strahlentherapie in Kombination mit dem Medikament sensibilisieren.
Eine andere Art der Therapie, die sich auf externe elektromagnetische Strahlung stützt, ist die photodynamische Therapie (PDT). Dabei handelt es sich um ein wirksames Verfahren zur Krebsbekämpfung bei oberflächlichen Tumoren, das auf der Lokalisierung eines Photosensibilisators im Tumor und der anschließenden Lichtaktivierung zur Erzeugung zytotoxischer reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) beruht. Zu diesem Zweck werden mehrere Nanomaterialien erforscht. Diese bestehen häufig aus einem Lanthanid- oder Hafnium-dotierten High-Z-Kern und können nach der Injektion von außen mit Röntgenstrahlen bestrahlt werden, so dass der Kern der Nanopartikel die Photonen des sichtbaren Lichts lokal an der Tumorstelle emittiert. Die von den Partikeln emittierten Photonen aktivieren anschließend einen an die Nanopartikel gebundenen oder lokalen Photosensibilisator, um Singulett-Sauerstoff (1O2) ROS zur Tumorzerstörung zu erzeugen. Darüber hinaus können diese Nanopartikel sowohl für die PDT, bei der ROS erzeugt werden, als auch für die verstärkte Strahlentherapie über den High-Z-Kern eingesetzt werden. Obwohl viele dieser Plattformen zunächst in vivo durch intratumorale Injektion für oberflächliche Tumorstellen untersucht werden, werden einige für die Verabreichung durch systemische Injektion an tiefe Gewebetumore getestet. Die Hauptvorteile für den Patienten wären die lokale Verabreichung der PDT an tiefe Gewebetumore, eine alternative Therapie für Krebszellen, die gegen Strahlentherapie resistent geworden sind, und die Verringerung der Toxizität (z. B. Lichtempfindlichkeit), die bei der herkömmlichen PDT auftritt. Andere Plattformen schließlich nutzen eine Form der Cherenkov-Strahlung zu einem ähnlichen Zweck, nämlich der lokalen Photonenemission als Auslöser für die lokale PDT. Diese können auch für Ziele in der Tiefe des Gewebes eingesetzt werden.