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Röntgenmikroskopie von Zellorganellen Nanopartikel erschöpfen Zellen

| Redakteur: Christian Lüttmann

Ihre geringe Größe erlaubt Nanopartikeln das Eindringen in Zellen. Das kann für medizinische Anwendungen sinnvoll sein, z.B. als Wirkstoffträger in der Krebstherapie. Doch die Aufnahme der Partikel scheint Zellen viel Energie zu kosten. Das haben Forscher anhand von hochauflösenden 3D-Mikroskopie-Aufnahmen gezeigt.

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Kombination der einzelnen Aufnahmen zu einem 3D-Bild der Zellarchitektur mit Mitochondrien (grün), Lysosomen (lila), multivesikulären Körperchen (rot) und dem endoplasmatischen Retikulum (beige).
Kombination der einzelnen Aufnahmen zu einem 3D-Bild der Zellarchitektur mit Mitochondrien (grün), Lysosomen (lila), multivesikulären Körperchen (rot) und dem endoplasmatischen Retikulum (beige).
(Bild: Burcu Kepsutlu/HZB )

Berlin – Nanopartikel sind heute nicht nur in Kosmetikprodukten, sondern überall in unserer Umwelt, in der Luft, im Wasser, im Boden und in der Nahrung. Weil sie so winzig sind, dringen sie leicht in Zellen unseres Körpers ein. Das ist auch für medizinische Anwendungen interessant: Mit Wirkstoffen beschichtete Nanopartikel könnten gezielt in Zellen eingeschleust werden, zum Beispiel, um Krebszellen zu zerstören. Vieles ist jedoch noch unklar, etwa wie sich Nanopartikel in den Zellen verteilen, was sie dort bewirken und wie diese Wirkung von ihrer Größe und Beschichtung abhängt.

Neue Erkenntnisse hat nun eine Studie an der Synchrotron-Strahlenquelle BESSY II gebracht. Eine Gruppe um Dr. James McNally, Biophysiker am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), hat Zellen mit unterschiedlich beschichteten Nanopartikeln eingehend mit Röntgenmikroskopie untersucht. Die Nanopartikel waren exakt gleich groß, aber mit unterschiedlichen Wirkstoffen beschichtet.

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Anreicherung in Organellen

Die Forscher erhielten erstmals vollständige, dreidimensionale hochaufgelöste Aufnahmen der Zellen mit den darin enthaltenen Organellen darunter Lipidtröpfchen, multivesikuläre Körper, Mitochondrien und Endosomen. Lipidtröpfchen fungieren in der Zelle als Energiespeicher, während Mitochondrien diese Energie verstoffwechseln.

Die Analyse der Aufnahmen zeigte: Nanopartikel reichern sich bevorzugt in Zellorganellen an und verändern dann die Zahl bestimmter Organellen zu Gunsten anderer Zellbestandteile. Diese Veränderungen waren nahezu unabhängig von der jeweiligen Beschichtung der Nanopartikel. Dies lässt vermuten, dass unterschiedliche Beschichtungen ähnliche Effekte haben könnten. Ob sich dieser Effekt verallgemeinern lässt, müssen weitere Studien mit anderen Arten von Nanopartikeln und insbesondere auch anderen Zell-Typen zeigen.

„Zellen fühlen sich wie nach Marathon“

„Die Röntgenmikroskopie erlaubt es, die Zelle als Ganzes zu überblicken, sodass wir diese Eigenheit erstmals beobachten konnten“, sagt McNally. Dabei entdeckten die Forscher, dass die Aufnahme von Nanopartikeln die Anzahl von Mitochondrien und Endosomen erhöht, während andere Organellen, nämlich Lipidtröpfchen und multivesikuläre Körper abnehmen.

Diese Ergebnisse stellen wichtiges Grundlagenwissen für die Risikobewertung von Nanopartikeln dar. Erste Analogien lasen sich aber schon jetzt schließen, wie McNally erklärt: „Wenn wir eine Hungerkur machen oder einen Marathon laufen, sehen wir ähnliche Veränderungen in der Zelle – nämlich eine Zunahme der Mitochondrien und eine Abnahme der Lipidtröpfchen. Es kostet die Zelle offenbar Energie, die Nanopartikel aufzunehmen, sie fühlt sich dann wie nach einem Marathonlauf.“ Weitere Studien müssen nun klären, welche Auswirkung das im Detail auf die Zellen und den Organismus haben kann.

Originalpublikation: Burcu Kepsutlu, Virginia Wycisk, Katharina Achazi, Sergey Kapishnikov, Ana Joaquina Pérez-Berná, Peter Guttmann, Antje Cossmer, Eva Pereiro, Helge Ewers, Matthias Ballauff, Gerd Schneider, James G. McNally: Cells Undergo Major Changes in the Quantity of Cytoplasmic Organelles after Uptake of Gold Nanoparticles with Biologically Relevant Surface Coatings, ACS Nano (2020); DOI:10.1021/acsnano.9b09264

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