Entwicklung und Erprobung von Nanopartikeln für die Sensorik und biomedizinische Anwendungen
Anwendung von Nanopartikeln in der biomedizinischen Forschung
Nanopartikuläre Systeme haben ein umfangreiches Einsatzspektrum. In der Industrie werden sie als innovative Werkstoffe und als Bestandteil von Oberflächenbeschichtungen und Farben eingesetzt. In der Medizin werden Nanopartikel in der Diagnostik, zum Wirkstofftransport und für therapeutische Anwendungen eingesetzt. Eisenoxidhaltige Nanopartikel dienen als Kontrastmittel in der Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT). Nanocarrier und Nanocontainer können zum Wirkstofftransport eingesetzt werden. Schließlich können Nanopartikel auch als Sensoren in der Diagnostik und biomedizinischen Forschung dienen.
Die AG Biomolekulare Photonik ist in mehrere Projekte eingebunden, die die Entwicklung, Charakterisierung und Anwendung von Nanopartikeln zum Ziel haben. Im Vordergrund steht dabei der Einsatz als Nanosensoren in der Mikroskopie.
Entwicklung von Nanosensoren für Ionen und Biomolekülen
Zur Messung von Ionenkonzentrationen werden in der physiologischen Forschung häufig Indikatorfarbstoffe eingesetzt, die ihre Fluoreszenzeigenschaften bei Bindung eines Analyts (z.B. Ionen, Biomoleküle) ändern. Häufig werden dabei im Verlaufe eines Experimentes nur die Änderungen der Fluoreszenzintensität gemessen und als eine Zu- oder Abnahme des Analyts interpretiert. Eine absolute Bestimmung der Analytkonzentration aufgrund der Fluoreszenzintensität ist indessen mit herkömmlichen nicht-ratiometrischen Indikatoren schwierig, da die Intensität des Fluoreszenzsignals nicht nur vom Analyt selbst, sondern auch von der Konzentration des Indikatorfarbstoffes abhängt. Zusätzlich wird das Fluoreszenzsignal durch Interaktion mit Proteinmolekülen verfälscht.
Diese Nachteile der freien Indikatorfarbstoffe lassen sich weitestgehend dadurch ausschalten, dass sie in Nanopartikel eingebettet werden. Die Polymermatrix der Nanopartikel schützt die Farbstoffe vor der Interaktion mit größeren Makromolekülen, behindert jedoch nicht die Bindung des Analyts selbst. Zusätzlich kann in die Matrix ein Referenzfarbstoff eingebettet werden, dessen Signal nicht vom Analyt beeinflusst wird. Bei Messungen mit Nanopartikeln, die den Sensor- und Referenzfarbstoff enthalten, lassen sich dann konzentrationsbedingte Schwankungen der Fluoreszenz des Sensorfarbstoffes mit Hilfe der Fluoreszenz des Referenzfarbstoffes korrigieren.
Derartige ratiometrische Nanosensoren werden in Kooperation mit dem Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie (Prof. Dr. Rainer Beckert, Prof. Dr. Thomas Heinze, Prof. Dr. Ulrich Schubert) entwickelt. Bislang lag der Fokus dabei auf der Entwicklung von Nanosensoren für Analyte, die durch herkömmliche Indikatoren schwer zu messen sind, wie Natrium (Dietrich 2008, Dietrich et al. 2010), Chlorid (Gräfe et al. 2008) oder Sauerstoff (Cywinski et al. 2008). Neue Trägermaterialien für die Sensoren wurden getestet. Um die Funktionalität dieser Materialien zu testen, wurden hier zunächst ratiometrische pH-Sensoren entwickelt (Hornig et al. 2008, Kempe et al. 2010, 2011).
Beteiligte Wissenschaftler
- Dipl.-Chem. Rainer Strathausen
- Dr. Birgit Hoffmann
- Dr. Charles Cranfield
- Dr. Sascha Dietrich
- Dr. Sarmiza Elena Stanca
Kooperationen
- Prof. Dr. Rainer Beckert, Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie, Friedrich-Schiller-Universität Jena
- Prof. Dr. Thomas Heinze, Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie, Friedrich-Schiller-Universität Jena
- Prof. Dr. Ulrich Schubert, Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie, Friedrich-Schiller-Universität Jena
Fördernde Institutionen
- Europäische Union (Projekt: „Sensor Nanoparticles for Ions and Biomolecules“ (SNIB), Förderkennzeichen: MTKD-CT-2005-029554)
- Exzellenzinitiative des Thüringer Ministeriums für Bildung, Wissenschaft und Kultur (Projekt: „Nanocontainer für Sensorik und Wirkstofftransport“ (NanoConSens))
Ausgewähle projektbezogene Publikationen
- Cywinski P.J., Moro A.J., Stanca S.E., Biskup C., Mohr G.J.:
Ratiometric porphyrin-based layers and nanoparticles for measuring oxygen in biosamples.
Sens. Actuators B 135, 472-477 (2009). - Dietrich S.:
Fluoreszenzindikatoren für intrazelluläre Natriumkonzentrationsmessungen.
Dissertation. Jena 2008. - Dietrich S., Stanca S.E., Cranfield C.G., Hoffmann B., Benndorf K., Biskup C.:
New strategies to measure intracellular sodium concentrations.
SPIE Proc. 7569-14 (2010). - Graefe A., Stanca S.E., Nietzsche S., Kubicova L., Beckert R., Biskup C., Mohr G.J.: Development and critical evaluation of fluorescent chloride nanosensors.
Anal. Chem. 80, 6526-6531 (2008). - Hornig S., Biskup C., Gräfe A., Wotschadlo J., Liebert T., Mohr G.J., Heinze T.: Biocompatible fluorescent nanoparticles for pH-sensoring.
Soft Matter 4, 1169-1172 (2008). - Kempe K., Vollrath A., Schaefer H., Poehlmann T.G., Biskup C., Hoogenboom R., Hornig S., Schubert U.S.:
Multifunctional poly(2-oxazoline) nanoparticles for biological applications.
Macromol. Rapid. Comm. 31, 1869-1873 (2010). - Matschke M., Beckert R., Kubicova L., Biskup C.:
The introduction of OH and COOH groups into 4H-imidazoles: Water-soluble functional dyes and quinomethides.
Synthesis 18, 2957-2962 (2008). - Stanca S.E., Nietzsche S., Fritzsche W., Cranfield C.G., Biskup C.:
Intracellular ion monitoring using a gold-core polymer-shell nanosensor architecture.
Nanotechnology 21, 055501 (2010).
Entwicklung von Nanocontainern für den Wirkstofftransport
Neben Nanosensoren wurden in Rahmen der Thüringer Exzellenzinitiative NanoConSens auch nanostrukturierte Trägermaterialien und Nanocontainer entwickelt, die mit Wirkstoffen (Pharmaka, RNA, siRNA, DNA-Oligomeren, Enzymen) beladen und zum gezielten Transport mit externen Bindungseinheiten (z.B. mit Peptiden, Zuckern) funktionalisiert werden sollen.
Die systematische Untersuchung der Beziehungen zwischen der Struktur und der Aktivität der Nanocontainer in vitro und in vivo sowie ihres Verhaltens sind wichtige Fragestellungen des Projektes. Grundlegende wissenschaftliche Fragestellungen, wie z.B. der Einfluss von Größe, Form und Oberflächenbeschaffenheit von Nanopartikeln auf den Aufnahmeprozess in Zellen, die Entwicklung von perfektionierten Transport- und Schutzcontainern für siRNA bzw. der parallele Transport von Markern und Wirkstoffen soll in diesem und Folgeprojekten untersucht werden. Einige Polymergrundstrukturen konnten bereits für ihre Anwendung als Trägermaterialien getestet werden (Vollrath et al. 2010, Kempe et al. 2010).
Beteiligte Wissenschaftler
Kooperationen
- Dr. Antje Vollrath, Prof. Dr. Ulrich Schubert, Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie, Friedrich-Schiller-Universität Jena
Fördernde Institutionen
Exzellenzinitiative des Thüringer Ministeriums für Bildung, Wissenschaft und Kultur (Projekt: „Nanocontainer für Sensorik und Wirkstofftransport“ (NanoConSens))
Ausgewähle projektbezogene Publikationen
- Vollrath A., Schubert S., Windhab N., Biskup C., Schubert U.S.:
Labeled nanoparticles based on pharmaceutical EUDRAGIT S 100 polymers.
Macromol. Rapid. Commun. 31, 2053-2058 (2010).
Toxikologische Charakterisierung von Nanomaterialien für die diagnostische Bildgebung in der Medizin
Ziel dieses vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projektes ist die Erfassung der internen Exposition von Nanopartikeln, die in der diagnostischen Bildgebung eingesetzt werden. Mechanismen, über die die Nanopartikel in Zellen aufgenommen und dort prozessiert werden, sollen in Zellkulturexperimenten untersucht werden. Da die Kontrastmittel überwiegend intravenös appliziert werden, sollen in diesem Projekt jedoch auch Schrankensysteme, wie die Blut-Plazenta-Schranke (BPS) und die Blut-Hirn-Schranke (BHS) in vitro und in vivo untersucht werden.
Beteiligte Wissenschaftler
Kooperationen
- Mitglieder des NanoMed-Konsortiums
Fördernde Institutionen
- Bundesministerium für Bildung und Forschung (Projekt NanoMed, Förderkennzeichen: 03X0104D)