Wie Nano-Gold durch Membranen wandert

  • 04. November 2016

Neue Untersuchungen weisen auf bislang unzureichende Abschätzungen von Nanotoxizität hin.

Die OECD berichtete jüngst, dass Nanopartikel in mehr als 1300 kommerziellen Produkten enthalten sind, deren potenziell toxische Wirkung ausgeblendet wird. Die Mechanismen, wie diese Partikel durch menschliches Gewebe wandern, sind noch weitest­gehend unverstanden. Ein Team aus spanischen und saarländischen Physikern konnte nun weltweit erstmals in Echt­zeit beobachten, wie eine bestimmte Art von Nano­partikeln durch eine künstliche Zell­wand wandert. Damit haben sie den Grundstein für weitere Forschungen gelegt, die im sicheren Umgang mit den winzigen Teilchen helfen sollen.

Abb.: Lipidbeschichtete, hydrophobe Gold-Nanopartikel durchqueren eine Doppellage. (Bild: V. Baulin)

Abb.: Lipidbeschichtete, hydrophobe Gold-Nanopartikel durchqueren eine Doppellage. (Bild: V. Baulin)

Dadurch, dass verlässliche Methoden fehlen, um Nanopartikel zu überwachen, und dass es eine unüber­schaubare Zahl von Mechanismen gibt, die potenziell zu toxischen Wirkungen der Nano­partikel führen könnten, entstehen widersprüchliche Vorschriften im Umgang mit Nano­toxizität: Beispielsweise können manche Nano­partikel in Hautcrèmes nicht durch die menschliche Haut dringen, sehr wohl aber durch die Lunge oder die Nasen­schleim­haut. Im Detail ist es immer noch nicht klar, wie manche Nano­partikel mit menschlichem Gewebe und Barrieren interagieren.

Eine enorme Schwierigkeit besteht in der Heraus­forderung, einzelne Nano­partikel sichtbar zu machen. Objekte auf Nanoebene sind unterhalb des Auflösungs­vermögens optischer Mikroskope. Daher müssen Wissen­schaftler spezielle Techniken verwenden, um Vorgänge auf der Nano­ebene beobachten zu können. Eine weitere Heraus­forderung besteht darin, dass sich die winzigen Partikel ständig fort­bewegen: Die Vorgänge, in denen Nanopartikel eine Rolle spielen, dauern oft nur Sekunden­bruchteile. Die Mess­methode müsste also in der Lage sein, solch schnelle Vorgänge aufzulösen.

Basierend auf diesen Grundgedanken hat ein Team aus theoretischen Physikern der spanischen Universität Tarragona um Vladimir Baulin ein Forschungs­projekt entworfen, um die Wechsel­wirkung zwischen Nano­partikeln und Phospholipid-Doppel­lagen zu untersuchen, die als künstlichen Zell­membranen gelten. Wie sie im Computer­modell herausfinden konnten, wanderten hydrophobe Nano­partikel in eine solche Phospholipid-Doppel­schicht und blieben dort stecken. Diese Erkenntnis ist wissenschaftlicher Konsens. Eine Überraschung erlebten die spanischen Forscher hingegen, als sie das Modell mit super­hydro­phoben Nano­partikeln simulierten, die noch stärker wasser­abstoßend waren. Diese konnten nicht nur in die Zellwand hinein­wandern, sondern sie plötzlich auch wieder verlassen, also theoretisch ins Innere der Zelle eindringen. Zusätzliche Voraus­setzung ist, dass die Nanopartikel mindestens genauso dick sind wie die Zell­membran selbst, im theoretischen Modell etwa fünf Nanometer.

An dieser Stelle nahm Vladimir Baulin mit der Experimental­physik­gruppe um Ralf Seemann von der Universität des Saarlandes Kontakt auf, um das Modell experimentell bestätigen zu lassen. Die Spezialisten für bio­physikalische Vorgänge an Grenzflächen in Ralf Seemanns Gruppe, Jean-Baptiste Fleury und sein Team, entwarfen einen mikro­fluidischen Aufbau zur Bildung und Untersuchung von solchen Doppellagen aus Phospho­lipiden. Diese Doppel­lagen brachten die saarländischen Forscher mit hydrophoben Gold-Nanopartikeln in Kontakt. Den Gold­partikeln haftete eine Phospho­lipid­schicht an, die dafür sorgte, dass sie sich gleichmäßig in der wässrigen Lösung verteilen, und verhinderte, dass sie sich zu Haufen zusammenballen.

Fleury und sein Team konnten nun weltweit zum ersten Mal mithilfe einer Mischung aus Fluoreszenz­mikroskopie und elektro­physiologischer Mess­methoden einzelne Gold­partikel in Echtzeit auf ihrem Weg durch die Doppel­lage beobachten. Wie die Modelle der spanischen Forscher vorhersagten, beobachteten die Physiker aus dem Saarland, dass die Nano­partikel in die Doppel­lage eindringen konnten, indem sie ihre Phospho­lipid­hülle in der künstlichen Doppel­lage abstreiften. Nano­partikel mit einem Durchmesser von sechs oder mehr Nano­metern, was in etwa die Dicke einer typischen Doppellage entspricht, sind in der Lage, diese Doppellage binnen weniger Milli­sekunden wieder zu verlassen. Kleinere Nanopartikel hingegen bleiben in der Mitte der Doppellage gefangen.

Die Beobachtung, dass Nanopartikel blitzschnell in der Lage sind, Doppellagen wie sie zum Beispiel menschliche Zellen umgeben, zu durchqueren, dürfte die Sicherheits­bedenken gegenüber Nano­partikeln weiter steigen lassen und führt vielleicht dazu, Sicherheits­normen im Umgang mit Nanopartikeln zu überarbeiten und zu verfeinern, so die Schluss­folgerung der Forscher aus Spanien und dem Saarland.

U. Saarland / DE

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