Fallstudie A1: Cluster Tox

Hybride Nanopartikel aus Polymeren und anorganischen Bestandteilen und daraus hergestellte größere Cluster finden als Schlüsselkomponenten in zunehmend verwendeten und neu entstehenden hochentwickelten Materialien Anwendung.

Beispiele für hybride Nanopartikel

Beispiel 1: Die Möglichkeit, ihre Lichtemissionseigenschaften dynamisch zu manipulieren, macht polymerbeschichtete Nanopartikel-Ensembles zu vielversprechenden Elementen für Displays der nächsten Generation.¹

Beispiel 2: Hierarchisch nanostrukturierte Anoden aus Siliziumdioxid-Nanopartikeln und Poly(vinylbutyral)/Poly(acrylsäure)-Bindemitteln verbessern die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien.²

Beispiel 3: Die Möglichkeit des kontrollierten Zerfalls von polymerverknüpften Nanopartikel-Clustern in kleinere Nano-Objekte begründet ihre Verwendung als Nanotheranostik.³

Physikochemische Eigenschaften (z. B. Dimension, Form, Dichte funktioneller Gruppen, Oberflächenheterogenität, Dispersität) von Partikeln beeinflussen deren Interaktion mit Molekülen in biologischen Systemen und damit auch deren Toxizität.

Sehr wenig ist zu den Auswirkungen dieser strukturellen Parameter bekannt, wenn es um größere, hierarchische Hybrid-Cluster geht. Daher besteht die Motivation für dieses Forschungsprojekt darin, zu klären und zu verstehen, wie die Gesamtgröße, die Anzahl der Module und die makromolekulare Oberflächenfunktionalisierung von hybriden Nanopartikelclustern ihre Aufnahme und Verteilung in Zellen, ihre Stabilität sowie ihre Toxizität beeinflussen.

Herstellung der Cluster am IPF

Ein Modellsystem sogenannter Planeten-Satelliten-Nanostrukturen wird am IPF synthetisiert. Durch modular angelegte Synthese möchten wir eine Bibliothek von strukturell und kompositorisch unterschiedlichen polymerverknüpften hybriden Nanopartikel-Clustern erstellen.⁴

Anzahl und Größe der anorganischen Nanopartikel und
die Art der polymerischen Funktionalisierung

Den Makromolekülen, die verwendet werden, um die Nanopartikel miteinander zu verknüpfen, kommt eine besondere Bedeutung zu. Unterschiedliche Mengen an geladenen funktionellen Gruppen, nämlich funktionelle Gruppen, die auf den pH-Wert reagieren und funktionelle Gruppen, die unter bestimmten Bedingungen zerfallen, werden eingesetzt um Modellsysteme für Cluster mit schwachen Polyelektrolyten, wie sie in Batterien verwendet werden und Cluster die den kontrollierten Zerfall in Tumoren nachahmen, zu erzeugen.

Modell eines Nanopartikels mit Oberflächenfunktionalisierung. Quelle: S. V. Lenjani/IPF

In-vitro Untersuchungen am INM

Diese Systeme werden in In-vitro-Modellen der Lunge im Hinblick auf Internalisierung, subzelluläre Lokalisierung (mittels CLSM und Dunkelfeldmikroskopie), lysosomale Stabilität (Farbstoffakkumulation, Freisetzung lysosomaler Proteine) und Toxizität (Zytotoxizität, Entstehung von Sauerstoffradikalen (ROS), Zytokinfreisetzung) analysiert. Alle Experimente mit Clustern werden mit dem Verhalten der einzelnen Clusterkomponenten (d. h. den primären Nanopartikeln) verglichen.

Mikroskopische Aufnahmen von Zellen mit Nanopartikeln — Mikroskopische Abbildungen zur Lokalisierung von Nanopartikeln im Zellversuch. Links: Schnitt einer Mäuseleber mit fluoreszenten Nanopartikeln (magenta & Pfeile). Rechts: Mikroskopische Analyse der Aktivität des Transkriptionsfaktors *NF-κB* in menschlichen Lungenkarzinomzellen (*A549*). Quelle: INM