Dynamik und Steuerung superparamagnetischer Nanopartikel in einfachen und verzweigten Gefäßen: Simulation & Experiment (DyNano)

• Antragsteller: Professor Dr. Eberhard Bänsch; Dr. Jens Kirchner; Professor Dr. Stefan Lyer
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 518492286

Magnetic Drug Targeting unter Einsatz von superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln (SPIONs) ist eine wirksame Methode, um in der Krebstherapie die Wirkstoffapplikation im Tumorgewebe zu steigern, bei gleichzeitiger Reduktion der Gesamtwirkstoffmenge und der mit der Therapie einhergehenden Nebenwirkungen. Während die Wirksamkeit des Ansatzes bereits in Studien nachgewiesen werden konnte, fehlen allerdings bislang Ansätze, um diese Methode an den jeweiligen Behandlungsfall anzupassen und zu optimieren. Ziel dieses Antrags ist es daher, die Grundlagen für eine derartige patientenindividuelle Optimierung zu legen: Vergleichbar dem bereits erfolgreich praktizierten Procedere in der Strahlentherapie sollen perspektivisch vor der Anwendung der Therapie auf Basis des lokalen Gefäßsystems des Patienten und der Eigenschaften des Tumors die verwendeten Magnetfelder derart angepasst werden, dass der Anteil des Wirkstoffs, der in das Tumorgewebe gelangt, maximiert wird. Zu diesem Zweck soll im beantragten Projekt ein physiologisch-physikalisches Modell der Bewegung und Magnetfeld-basierten Steuerung von SPIONs entwickelt, als Finite-Elemente-Modell implementiert und experimentell validiert werden. Dieses soll es erlauben, die zeitlich variable Feldstärke und Position eines oder mehrerer Elektromagnete in Hinblick auf die Partikelkonzentration in einem Zielgebiet zu optimieren. Im Projekt sollen dabei die Steuerung bei einfach und mehrfach verzweigten Kanalsystemen ebenso wie beim Übertritt aus dem Gefäß in das umliegende Gewebe betrachtet werden. Damit soll die Basis für eine spätere Übertragung des Optimierungsansatzes auf gegebene Gefäß- und Tumormodelle in der klinischen Anwendung gelegt werden. Die mathematisch-algorithmische Entwicklung des Simulations- und Optimierungstools obliegt dabei dem Lehrstuhl für Angewandte Mathematik III (AM3) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Im gesamten Projektverlauf soll dieses Modell experimentell validiert und auf Basis von Versuchen erweitert werden. Die zugehörigen Versuchsaufbauten werden gemeinsam vom Lehrstuhl für Technische Elektronik (LTE) der FAU und der Sektion für Experimentelle Onkologie und Nanomedizin (SEON) des Universitätsklinikums Erlangen entwickelt und betreut. Dabei ist der LTE für die Mess- und Steueraufbauten verantwortlich, die SEON für die Nanopartikel und die Gefäßmodelle inkl. Untersuchungen an menschlichen Nabelschnurarterien.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen