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Nanopartikel besser verstehen

Kleines Gold mit großer Zukunft

| Autor/ Redakteur: Giovanna Fragneto* Marco Maccarini** / Christian Lüttmann

Gold-Nanopartikel sind vielseitig nutzbar, u.a. als Wirkstoffträger in der Medizin. Obwohl ihre Synthese heute schon sehr zielgerichtet gelingt, lässt sich nur schwer vorhersagen, wie die Partikel mit Umwelt und Mensch interagieren. Wissenschaftler erforschen daher intensiv das Verhalten der Nanopartikel, um sie effizienter und sicherer zu machen.

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Abb.1: Goldnanopartikel könnten sich als Wirkstoffvehikel in der Medizin etablieren. Doch erst müssen ihre Wirkungen und Nebenwirkungen umfassend studiert werden.
Abb.1: Goldnanopartikel könnten sich als Wirkstoffvehikel in der Medizin etablieren. Doch erst müssen ihre Wirkungen und Nebenwirkungen umfassend studiert werden.
(Bild: ©Kateryna_Kon - stock.adobe.com)

Nanotechnologie zieht zunehmend in unser tägliches Leben ein, mit einem enormen Potenzial für die Zukunft. In den vergangenen 30 Jahren hat die Forschung große Fortschritte erzielt, Nanopartikel zu manipulieren und zu steuern. Da Nanopartikel sehr klein sind, haben sie ein sehr hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Aus diesem Grund hängen ihre Eigenschaften stark von ihrer Größe, ihrer Form und ihrer Umgebung ab. Indem Wissenschaftler diese Kerngrößen bei der Partikelsynthese gezielt anpassen, können sie die Eigenschaften von Nanopartikeln in gewissem Maße nach ihren Anforderungen gestalten. Maßgeschneiderte Nanomaterialien verbergen sich heutzutage deshalb fast überall – vom Putzmittel über Sonnencremes und Kosmetika bis hin zu Funktionskleidung. Auch in Golfschlägern und Rennwagen und selbst in Lebensmitteln oder Medikamenten steckt oft Nanotechnologie. Vor allem in der Pharmazeutik eröffnen sich zahlreiche vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise bei der Bereitstellung von Wirkstoffen. Aber: Die Risiken künstlich hergestellter Nanomaterialien für den menschlichen Körper sind immer noch nur schwer abzuschätzen. Sie lassen sich erst dann zuverlässig bewerten, wenn das Verhalten der Nanopartikel in allen Situationen genau erforscht ist.

Der Gold-Standard der ­Nanotechnologie

In der Nanotechnik gehören Gold-Nanopartikel (Au-NPs) wohl zu den vielseitigsten Werkzeugen. Dank ihrer besonderen elektronischen, optischen, sensorischen und biochemischen Eigenschaften werden sie bereits seit längerer Zeit auf ihre Eignung für biologische und medizinische Anwendungen untersucht, etwa in der Bildgebung, der Behandlung von Krankheiten und der Wirkstoffverabreichung. Man kann sich funktionalisierte Au-NPs als eine Anhäufung von Goldatomen vorstellen, die an der Oberfläche von einer Molekularschicht umgeben ist. Diese Oberfläche manipulieren Forscher, um die Nanopartikel mit bestimmten Funktionen auszustatten.

Bei der Behandlung von Krebs, Aids und vielen anderen Erkrankungen hat sich Nanotechnologie bereits als nützlich erwiesen. So können Nanopartikel zu intelligenten Systemen weiterentwickelt werden, die therapeutische Wirkstoffe und Kontrastmittel umhüllen. Dabei ist Gold besonders in solchen Systemen effektiv, die Wirkstoffe kontrolliert an bestimmte Gewebe abgeben. Beispielsweise können spezifisch bindende Liganden auf die Oberfläche von Gold-Nanopartikeln gebracht werden. Damit lassen sich die Partikel theoretisch zu Vehikeln funktionalisieren, die nur bestimmte Wirkstoffe in menschliche Zellen transportieren. Eine nachhaltige und gezielte Wirkstoffbereitstellung über Au-NPs würde die Toxizität vieler Medikamente minimieren – und dank der geringen Menge von Zusatzstoffen müssten die Medikamente weniger häufig verabreicht werden.

Es ist jedoch schwierig vorherzusagen, inwieweit diese Nanopartikel von Zellen absorbiert werden. Um die Interaktionen zwischen Nanomaterialien und dem menschlichen Körper besser zu verstehen, haben sich Wissenschaftler des französischen Instituts Laue-Langevin (ILL) und der Université Grenoble Alpes aus Frankreich, der finnischen Universitäten Tampere und Helsinki und der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie in einem Gemeinschaftsprojekt zusammengeschlossen. Sie erforschten dabei die physischen und chemischen Einflüsse auf die Interaktionen von Gold-Nanopartikeln mit einer modellierten biologischen Membran.

Grenzkontrolle an der Zellwand

Der erste Kontakt zwischen einem Nanopartikel und einer lebenden Zelle erfolgt über eine biologische Membran. Die Lipidmembran, die alle Zellen in einer durchgehenden Doppelschicht umgibt, fungiert als Barriere: Sie lässt Ionen, Proteine und andere Moleküle wie erforderlich hindurch – oder eben nicht. Auch Nanopartikel könnten durch die Membran ins Zellinnere eindringen. Daher ist es immens wichtig, zu verstehen, was genau die Interaktion mit der Plasmamembran steuert. Werden Nanopartikel von der Zellmembran angezogen oder abgestoßen? Werden sie adsorbiert oder internalisiert? Destabilisieren sie Membran? Solche Feinheiten auf atomarer Ebene sind mitentscheidend, ob ein Wirkstoff an den gewünschten Ort geliefert wird und dort den gewünschten Effekt hat – oder ob er ungewollt in Zellen absorbiert wird und dort systematische Schäden verursacht.

Echte Membranen sind jedoch komplex bezogen auf ihre Struktur, Zusammensetzung und Eigenschaften – etwa durch verschiedene Lipidtypen, Cholesterin und Membranproteine. Es ist daher schwierig, Modelle zu entwickeln, die vorhersagen, was bei der Interaktion von Nanopartikeln mit einer echten Plasmamembran geschehen wird und welchen Effekt diese Interaktion auf die Struktur und Stabilität der Membran haben wird. Die Forscher aus Frankreich verwendeten für ihre Untersuchungen daher Modelle, die nur einige grundlegende Membraneigenschaften darstellten. Damit fanden sie heraus, dass Temperatur und Ladung der Lipide in der Membran wichtige Faktoren sind, da sie die Präsenz von Energiebarrieren modulieren und auf diese Weise die Interaktion des Nanopartikels mit der Membran beeinflussen.

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Die Ladung der Lipide ist für biologische Systeme relevant, da Plasmamembranen inhärent negativ aufgeladen sind. Dank dieser Ladung können Ionenpumpen geladene Atome in die Zelle hinein und aus ihr heraus verschieben und die Zelle so elektrisch polarisieren, was eine zentrale Rolle für einige Zellfunktionen spielt. Um die Prozesse der Zelle zu verstehen, hilft es deshalb, die Auswirkungen der Temperatur auf die molekularen Mechanismen zu analysieren. Ist das Wechselspiel von Temperatur und Polarisierung entschlüsselt, kann die lipide Doppelschicht des Systems in der Experimentumgebung dann fein eingestellt werden. Die Studie ergab, dass die Präsenz von aufgeladenen Lipiden bestimmt, ob Au-NPs von einer Zelle adsorbiert oder internalisiert werden und wie die Au-NP-Interaktion bei nicht oder negativ geladenen Doppelschichten auf Temperaturänderungen reagiert.

In der folgenden Animation ist dargestellt, wie ein kationisch funktionalisiertes Goldnanopartikel ein Lipid aus einer Membran extrahiert (ein möglicher Destabilisierungsmechanismus für Biomembranen)
Quelle: Fabio Lolicato, University of Helsinki

Ein computerorientierter Ansatz

Als Methode für die Studie wählten die Forscher die Neutronenreflektometrie. Diese offenbart detaillierte Informationen zur Struktur dünner Schichten und Oberflächen und eignet sich daher besonders für die Untersuchung von Schnittstellen zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten. Sie ist vielseitig und deckt ein breites Spektrum von Materialien ab. Neutronenreflektometrie ist das ideale Werkzeug, um die molekularen Details der Lipid-Nanopartikel-Interaktion zu ermitteln: Sie bietet eindeutige Einblicke in die Verhalten der molekularen Komponenten.

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Reflektometrie am ILL

Für die vorliegende Studie nutzten die Forscher das Reflektometer D17 am Institut Laue-Langevin (ILL). Es bietet eine horizontale Streuungsgeometrie für hohe Flussdichte und große Flexibilität und eignet sich daher besonders gut für die Untersuchung von Feststoff/Flüssigkeit-Schnittstellen und Membranen.

Zusätzlich verwendeten die Wissenschaftler Molekulardynamik (MD) – eine computergestützte Simulationsmethode zur Untersuchung der Atombewegung – um zu zeigen, wie Gold-Nanopartikel auf atomarer Ebene mit dem System interagieren. MD ist ein ergänzendes Werkzeug, um die mit der Neutronenreflektometrie in echten Systemen erfassten Daten zu interpretieren und zu erklären. Mithilfe der Berechnungsmethode für grobkörnige MD zeigten die Forscher, wie die Lipidaufladung das kooperative Verhalten bzw. die Aggregation von Au-NPs beeinflusst. Dabei stellten sie fest, dass ein negativ geladenes Lipid die Aggregation von Nano­partikeln fördert, während ein kooperativer Effekt mitunter fatale Folgen für die Stabilität der Mem­bran hat.

Glänzende Aussichten für die Medizin

Berechnungs- und Neutronenmethoden haben ein klareres Bild der Faktoren geschaffen, die das Verhalten von Nanopartikeln beeinflussen. Dies kann bei der Vorhersage helfen, wie Zellen mit Nanopartikeln interagieren werden. Mögliche Mechanismen für die Implementierung von Gold-Nanopartikeln in medizinischen Anwendungen wie der Wirkstoffbereitstellung müssen allerdings noch untersucht und mit Studien zu eventuellen unerwünschten Effekten der Nanopartikel-Eigenschaften gekoppelt werden. Neuerungen in der Neutronenwissenschaft und Fortschritte beim Erstellen und Vorbereiten von Testumgebungen in Instituten wie dem ILL helfen dabei, dass Nanopartikel zukünftig effektiver und sicherer angewendet werden können.

* Giovanna Fragneto, Institut Laue-Langevin, 38042 Grenoble/Frankreich, ** Marco Maccarini, Université Grenoble Alpes, 38042 Grenoble/Frankreich

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