Gezielte Oberflächenfunktionalisierung von anorganischen Nanopartikeln für eine kontrollierte Proteinadsorption und Zellaufnahme

• Antragsteller: Dr.-Ing. Fabian Meder
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 250155084

Bringt man künstliche Nanopartikel in eine biologische Umgebung, adsorbieren bestimmte Biomoleküle, wie Proteine auf der Oberfläche der Partikel. Eine Kontrolle dieser Reaktion ist bisher nicht erreicht, aber äußerst wichtig: Die adsorbierten Proteine haben maßgebenden Einfluss auf alle nachfolgenden Reaktionen der Partikel mit der biologischen Umgebung, beispielsweise die Aufnahme der Partikel von Zellen. So entscheidet der Vorgang auch über die Toxizität und Biokompatibilität der Nanopartikel sowie die Erfolgsaussichten zahlreicher potentieller Anwendungen der Nanopartikel in Biomedizin und Biotechnologie. Um das Adsorptionsmuster einzelner Proteine auf Nanopartikeln zu beeinflussen, reicht es oft schon aus, einige funktionelle Gruppen auf den Nanopartikeln mittels gezielter chemischer Oberflächenfunktionalisierung auszutauschen. Sulfonatgruppen, die negativ geladen sind, führen z.B. zu einer verstärkten Adsorption von Proteinen mit hohem Anteil an positiv geladenen Aminosäuren. Über eine Änderung der Konzentration der Sulfonatgruppen kann, wie in Vorversuchen gezeigt, die Adsorptionsmenge bestimmter Proteine kontrolliert werden. Leider ist noch weitgehend unklar, wie die Konzentration und Verteilung solcher funktionellen Gruppen auf der Nanopartikeloberfläche in komplexen Proteingemischen (wie Blut) von bestimmten Proteinen 'erkannt' werden, wie dies ihr Adsorptionsmuster beeinflusst und wie sich das auf die Interaktion der Partikel mit Zellen auswirkt. Dies soll in dem vorgeschlagenen Projekt untersucht werden. Dafür werden Aluminiumoxid-, Siliziumoxid- und Gold-Nanopartikel mit verschiedenen Konzentrationen an Sulfonatgruppen oberflächenfunktionalisiert. So können die Partikel komplett bedeckt (Monolage) oder gezielt nur teilweise mit Sulfonatgruppen bedeckt werden. Letzteres ermöglicht eine maßgeschneiderte multifunktionale Oberflächenchemie zu erzeugen, die aus Sulfonatgruppen und restlichen Partikel-Kern-Material besteht. Nach der Funktionalisierung soll die Partikel-Protein-Wechselwirkung in humanem Serum detailliert untersucht werden um aufzuklären, welche Proteine die Änderungen der Partikeloberflächenchemie wahrnehmen, verändert adsorbieren und welche Proteineigenschaften dieses Verhalten hervorrufen. Darüber hinaus soll erforscht werden, wie Endothelzellen die funktionalisierten Nanopartikel aufnehmen, um die Auswirkungen solcher maßgeschneiderten Oberflächenfunktionalisierung auf die Nanopartikel-Zell-Wechselwirkung zu analysieren. Das Projekt ermöglicht es so, grundlegende Strategien für das Oberflächen-Design von Nanopartikeln mit kontrollierten Protein- und Zell-Wechselwirkungen zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Irland
• Gastgeber: Professor Dr. Kenneth A. Dawson