Fallstudie B1: Kontrolle des Auflöseverhaltens

Aufgrund ihrer herausragenden katalytischen,¹ optischen und elektronischen Eigenschaften,² sind Metalloxidnanopartikel die am häufigsten verwendeten Baueinheiten für hochentwickelte Materialien. Dementsprechend werden sie in Bereichen wie Katalyse, Sensortechnologien und flexibler Elektronik und auch zunehmend für diagnostische und therapeutische Anwendungen eingesetzt.³ Dabei verfeinert sich der Aufbau der Nanopartikel zusehends: Nanokomposite, Kern-Schale Partikel und dotierte Nanomaterialien sind bekannte Beispiele.

Wenn sich Metalloxidpartikel im Zellinneren auflösen werden Metallionen freigesetzt. Diese können toxisch auf Zellen wirken und können so auch medizinisch nutzbar gemacht werden,⁴ vorausgesetzt die Ionenfreisetzung von Nanopartikeln kann kontrolliert eingestellt werden. Beispielsweise bilden Kupferionen (Cu₂₊) in biologischen Systemen Komplexe mit Proteinen und/oder Aminosäuren. Wenn diese Komplexe ausfällen ändert sich der Metabolismus der Zellen.⁵

Optimierung der Metalloxidpartikel am IWT

In einer ihrer Vorarbeiten untersuchte das IWT das Auflöseverhalten von Kupferoxid (CuO) Nanopartikeln.⁵ Dotierung mit Eisen (Fe) erhöhte die Stabilität der Partikel unter physiologischen Bedingungen und reduziert so die Zelltoxizität. Am IWT wird das Mengenverhältnis von Eisen und Kupfer (Fe/Cu) systematisch variiert um das Auflöseverhalten zu optimieren. Dies kann durch Dotierung und durch die Entwicklung von Kern-Schale-Partikeln geschehen.

Schema zur Herstellung dotierter und undotierter Metallnanopartikel mit Flammenaerosoltechnik, dargestellt durch eine Flamme und deren Wirkung auf Zellen, dargestellt durch drei Zellen in den Farben rot (für apoptotische Zellen) und grün (für lebende Zellen) — Dotierte und undotierte Metallnanopartikel werden am IWT mit Flammenaerosoltechnik synthetisiert und ihre Wirkung auf Krebs- und normale Zellen wird *in vitro* getestet. Quelle: IWT

Untersuchung der Zellantworten an IfADo und IUF

Am IfADo werden die Zellantworten auf die am IWT entwickelten Nanopartikel analysiert. Eingesetzt werden verschiedene Krebszelllinien, Leberzellen und Nervenzellen. Zellen der Krebszelllinien werden mit „normalen“ Zellen verglichen, um Einblicke in therapeutische Strategien zu erhalten. Nachdem die für die Zellen toxischen Konzentrationen bestimmt wurden, werden nicht-toxischen Konzentrationen für weitere Untersuchungen verwendet: Mithilfe von RNA-Sequenzierung werden molekulare Signaturen der verschiedenen Dotierungsstrategien ermittelt. Mit Raman-Spektroskopie wird untersucht in welche Zellkompartimente die die Partikel aufgenommen werden.

Am IUF werden Luft-Flüssigkeits-Grenzflächen-Modelle (Ait-Liquid-Interface / ALI) der Lunge eingesetzt um die Auswirkungen der Metalloxid Nanopartikel auf die Epithelzellen der Atemwege zu bestimmen. Außerdem wird das für die Zellkultur verwendete Zellmedium, welches unter anderem Signalstoffe und Stoffwechselprodukte der Atemwegsepithelzellen enthält, gesammelt und am IfADo für weitere Untersuchungen an Nervenzellen benutzt. Hintergrund ist hier der mögliche Einsatz der Nanopartikeln als inhalierbare Medikamente.

Eine 3 x 3 Matrix mit 9 microscopischen Abbildungen von Zellen. Untere Zeile: Ramansignal von organischen Zellbestandteilen (C-H) in blau, mittlere Zeile: CuO Ramansignal in rot, obere Zeile: Superpoistion der blauen und roten Signale. Linke Reihe: Zellen wurden ohne Nanopartikel kultiviert, mittlere Reihe: CuO Nanopartikel wurden hinzugegeben, rechte Reihe: Zellen wurden unter Zugabe von CuO Nanopartikeln mit 6 % Fe kultiviert. Das rote Signal für CuO wird von links nach rechts stärker. Das blaue signal wird ebenfalls von links nach rechts stärker. Die Bilder sind relativ stark verrauscht. Ein größerer Anteil von FeCuO Nanopartikeln verglichen mit CuO Nanopartikeln scheint von den Zellen aufgenommen zu werden. — Am IfADo, wird Ramanmikroskopie eingesetzt um die Aufnahme von Nanopartikeln in Zellen zu untersuchen. Ein Signal für organische Bestandteile (CH-stretch, 2945 cm^-1) ist überlagert mit dem Signal für CuO der Nanopartikel (297 cm^-1).

Beteiligte Partnerinstitute

	Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien – IWT	6 Monate
	Leibniz-Institut für Arbeitsforschung an der TU Dortmund (IfADo)	30 Monate
	IUF – Leibniz-Institut für umweltmedizinische Forschung	kürzere Forschungsaufenthalte