Anwendungen von Nanopartikeln in Biologie und Medizin

Gewebezüchtung

Natürliche Knochenoberflächen weisen häufig Strukturen mit einem Durchmesser von etwa 100 nm auf. Wäre die Oberfläche eines künstlichen Knochenimplantats glatt, würde der Körper versuchen, es abzustoßen. Aufgrund dieser glatten Oberfläche wird wahrscheinlich ein faseriges Gewebe gebildet, das die Oberfläche des Implantats bedeckt. Diese Schicht verringert den Kontakt zwischen Knochen und Implantat, was zu einer Lockerung des Implantats und weiteren Entzündungen führen kann. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Schaffung nanoskaliger Strukturen auf der Oberfläche der Hüft- oder Knieprothese die Wahrscheinlichkeit einer Abstoßung verringert und die Produktion von Osteoblasten angeregt werden kann. Die Osteoblasten sind die Zellen, die für das Wachstum der Knochenmatrix verantwortlich sind und sich auf der fortschreitenden Oberfläche des sich entwickelnden Knochens befinden.

Die Wirkung wurde mit polymeren, keramischen und neuerdings auch metallischen Materialien nachgewiesen. Mehr als 90% der menschlichen Knochenzellen in Suspension hafteten an der nanostrukturierten Metalloberfläche, aber nur 50% in der Kontrollprobe. Letztlich könnten diese Erkenntnisse die Entwicklung von haltbareren und langlebigeren Hüft- oder Knieprothesen ermöglichen und die Wahrscheinlichkeit, dass sich das Implantat löst, verringern.

Titan ist ein bekanntes Knochenreparaturmaterial, das in der Orthopädie und Zahnmedizin weit verbreitet ist. Es hat eine hohe Bruchfestigkeit, Duktilität und ein gutes Verhältnis zwischen Gewicht und Festigkeit. Leider leidet es an mangelnder Bioaktivität, da es die Adhäsion und das Wachstum von Knochen nicht gut unterstützt. Es ist bekannt, dass Apatitbeschichtungen bioaktiv sind und sich mit dem Knochen verbinden. Daher wurden in der Vergangenheit verschiedene Techniken angewandt, um eine Apatitbeschichtung auf Titan herzustellen. Diese Beschichtungen weisen jedoch eine ungleichmäßige Dicke, schlechte Haftung und geringe mechanische Festigkeit auf. Darüber hinaus ist eine stabile poröse Struktur erforderlich, um den Nährstofftransport durch das Zellwachstum zu unterstützen.

Es wurde gezeigt, dass die Verwendung eines biomimetischen Ansatzes – ein langsames Wachstum eines nanostrukturierten Apatitfilms aus der simulierten Körperflüssigkeit – zur Bildung einer stark haftenden, einheitlichen nanoporösen Schicht führte. Es wurde festgestellt, dass die Schicht aus 60 nm großen Kristalliten besteht und eine stabile nanoporöse Struktur und Bioaktivität aufweist.

Ein echter Knochen ist ein Nanokompositmaterial, das aus Hydroxylapatitkristalliten in einer organischen Matrix besteht, die hauptsächlich aus Kollagen zusammengesetzt ist. Dadurch ist der Knochen mechanisch zäh und gleichzeitig plastisch, so dass er sich von einer mechanischen Beschädigung erholen kann. Der eigentliche nanoskalige Mechanismus, der zu dieser nützlichen Kombination von Eigenschaften führt, ist noch umstritten.

Ein künstliches Hybridmaterial wurde aus 15-18 nm großen keramischen Nanopartikeln und Poly(methylmethacrylat)-Copolymer hergestellt. Mit Hilfe des tribologischen Ansatzes wurde ein viskoelastisches Verhalten (Heilung) der menschlichen Zähne nachgewiesen. Ein untersuchtes Hybridmaterial, das als Beschichtung auf die Zahnoberfläche aufgebracht wurde, verbesserte die Kratzfestigkeit und zeigte ein Heilungsverhalten, das dem des Zahns ähnelt.

Krebstherapie

Die fotodynamische Krebstherapie basiert auf der Zerstörung der Krebszellen durch lasererzeugten atomaren Sauerstoff, der zytotoxisch ist. Ein spezieller Farbstoff, der zur Erzeugung des atomaren Sauerstoffs verwendet wird, wird von den Krebszellen in größerer Menge aufgenommen als von einem gesunden Gewebe. Daher werden nur die Krebszellen zerstört, die der Laserstrahlung ausgesetzt sind. Leider wandern die verbleibenden Farbstoffmoleküle auf die Haut und in die Augen und machen den Patienten sehr empfindlich gegenüber der Tageslichtbelastung. Dieser Effekt kann bis zu sechs Wochen anhalten.

Um diese Nebenwirkung zu vermeiden, wurde die hydrophobe Version des Farbstoffmoleküls in ein poröses Nanopartikel eingeschlossen. Der Farbstoff blieb im Inneren des Ormosil-Nanopartikels eingeschlossen und breitete sich nicht in andere Teile des Körpers aus. Gleichzeitig wurde seine Fähigkeit, Sauerstoff zu erzeugen, nicht beeinträchtigt, und die Porengröße von etwa 1 nm ließ den Sauerstoff ungehindert hinausdiffundieren.

Mehrfarbige optische Kodierung für biologische Tests

Die ständig zunehmende Forschung im Bereich der Proteomik und Genomik erzeugt eine eskalierende Zahl von Sequenzdaten und erfordert die Entwicklung von Screening-Technologien mit hohem Durchsatz. Realistischerweise werden die verschiedenen Array-Technologien, die derzeit für die parallele Analyse verwendet werden, wahrscheinlich eine Sättigung erreichen, wenn die Anzahl der Array-Elemente mehrere Millionen übersteigt. Ein dreidimensionaler Ansatz, der auf der optischen „Strichkodierung“ von Polymerpartikeln in Lösung beruht, ist nur durch die Anzahl der eindeutigen Markierungen begrenzt, die man zuverlässig herstellen und nachweisen kann.

Einzelne Quantenpunkte aus Verbindungshalbleitern wurden erfolgreich als Ersatz für organische Farbstoffe in verschiedenen Bio-Tagging-Anwendungen eingesetzt. Diese Idee wurde noch einen Schritt weitergeführt, indem unterschiedlich große und daher unterschiedlich fluoreszierende Quantenpunkte kombiniert und in polymeren Mikrokügelchen zusammengefasst wurden. Das Verhältnis der Quantenpunkte lässt sich präzise steuern. Die in diesen Experimenten verwendete Auswahl an Nanopartikeln umfasste 6 verschiedene Farben und 10 Intensitäten. Dies reicht aus, um über 1 Million Kombinationen zu kodieren. Die Einheitlichkeit und Reproduzierbarkeit der Beads war hoch und ermöglichte eine Identifizierungsgenauigkeit von 99,99 %.

Manipulation von Zellen und Biomolekülen

Funktionalisierte magnetische Nanopartikel haben viele Anwendungen gefunden, einschließlich Zelltrennung und Sondierung; diese und andere Anwendungen werden in einer kürzlich erschienenen Übersicht erörtert. Die meisten der bisher untersuchten magnetischen Partikel sind kugelförmig, was die Möglichkeiten, diese Nanopartikel multifunktional zu machen, etwas einschränkt. Alternative zylindrisch geformte Nanopartikel können durch galvanische Abscheidung von Metallen in nanoporösen Aluminiumoxid-Templates hergestellt werden. Je nach den Eigenschaften der Matrize kann der Radius der Nanozylinder im Bereich von 5 bis 500 nm gewählt werden, während ihre Länge bis zu 60 μm betragen kann. Durch aufeinanderfolgendes Aufbringen verschiedener Metalldicken können die Struktur und die magnetischen Eigenschaften der einzelnen Zylinder in weiten Bereichen eingestellt werden.

Da die Oberflächenchemie zur Funktionalisierung von Metalloberflächen gut entwickelt ist, können verschiedene Liganden selektiv an verschiedene Segmente gebunden werden. So wurden beispielsweise Porphyrine mit Thiol- oder Carboxyl-Linkern gleichzeitig an die Gold- bzw. Nickelsegmente gebunden. So ist es möglich, magnetische Nanodrähte mit räumlich getrennten fluoreszierenden Anteilen herzustellen. Darüber hinaus kann die Restmagnetisierung dieser Nanodrähte aufgrund des großen Seitenverhältnisses hoch sein. Daher können sie mit einem schwächeren Magnetfeld betrieben werden. Es wurde gezeigt, dass die Selbstorganisation von magnetischen Nanodrähten in Suspension durch schwache externe Magnetfelder gesteuert werden kann. Dies würde es möglicherweise ermöglichen, den Zusammenbau von Zellen in verschiedenen Formen zu steuern. Darüber hinaus kann ein externes Magnetfeld mit einem lithografisch definierten magnetischen Muster („magnetisches Fallen“) kombiniert werden.

Proteinerkennung

Proteine sind ein wichtiger Teil der Sprache, der Maschinerie und der Struktur der Zelle, und das Verständnis ihrer Funktionalitäten ist für weitere Fortschritte im menschlichen Wohlergehen äußerst wichtig. Goldnanopartikel werden in der Immunhistochemie häufig zum Nachweis von Protein-Protein-Interaktionen eingesetzt. Allerdings sind die Möglichkeiten dieser Technik, mehrere Proteine gleichzeitig nachzuweisen, recht begrenzt. Die oberflächenverstärkte Raman-Streuungsspektroskopie ist eine bewährte Technik zum Nachweis und zur Identifizierung einzelner Farbstoffmoleküle. Durch die Kombination beider Methoden in einer einzigen Nanopartikelsonde kann man die Multiplexfähigkeit von Proteinsonden drastisch verbessern. Die Gruppe von Prof. Mirkin hat eine hochentwickelte multifunktionale Sonde entwickelt, die um ein 13 nm großes Goldnanopartikel herum aufgebaut ist. Die Nanopartikel sind mit hydrophilen Oligonukleotiden beschichtet, die an einem Ende einen Raman-Farbstoff enthalten und am Ende mit einem Erkennungselement für kleine Moleküle (z. B. Biotin) versehen sind. Außerdem ist dieses Molekül katalytisch aktiv und wird in einer Lösung aus Ag(I) und Hydrochinon mit Silber beschichtet. Nachdem die Sonde an ein kleines Molekül oder ein Antigen, das sie nachweisen soll, gebunden ist, wird das Substrat der Silber- und Hydrochinonlösung ausgesetzt. In der Nähe des Raman-Farbstoffs findet eine Versilberung statt, die den Nachweis der Farbstoffsignatur mit einem Standard-Raman-Mikroskop ermöglicht. Diese Sonde kann nicht nur kleine Moleküle erkennen, sondern kann auch so modifiziert werden, dass sie Antikörper auf der Oberfläche enthält, um Proteine zu erkennen. Bei Tests im Proteinarray-Format sowohl gegen kleine Moleküle als auch gegen Proteine hat die Sonde keine Kreuzreaktivität gezeigt.

Kommerzielle Erforschung

Einige der Unternehmen, die sich mit der Entwicklung und Vermarktung von Nanomaterialien für biologische und medizinische Anwendungen befassen, sind unten aufgeführt (siehe Tabelle 1). Bei den meisten dieser Unternehmen handelt es sich um kleine Ausgründungen aus verschiedenen Forschungseinrichtungen. Diese Auswahl ist zwar nicht erschöpfend, aber repräsentativ und spiegelt die aktuellen industriellen Trends wider. Die meisten Unternehmen entwickeln pharmazeutische Anwendungen, vor allem für die Verabreichung von Medikamenten. Mehrere Unternehmen nutzen Quantengrößeneffekte in Halbleiter-Nanokristallen zur Markierung von Biomolekülen oder verwenden bio-konjugierte Gold-Nanopartikel zur Kennzeichnung verschiedener Zellteile. Eine Reihe von Unternehmen setzen nanokeramische Materialien in der Gewebezüchtung und Orthopädie ein.

Die meisten großen und etablierten pharmazeutischen Unternehmen haben interne Forschungsprogramme zur Verabreichung von Arzneimitteln, die sich mit Formulierungen oder Dispersionen befassen, die Komponenten bis in den Nanobereich enthalten. Kolloidales Silber wird häufig in antimikrobiellen Formulierungen und Verbänden verwendet. Die hohe Reaktivität von Titandioxid-Nanopartikeln, die entweder allein oder mit UV-Licht beleuchtet werden, wird auch für bakterientötende Zwecke in Filtern genutzt. Die verbesserten katalytischen Eigenschaften der Oberflächen von Nanokeramik oder von Edelmetallen wie Platin werden zur Zerstörung gefährlicher Toxine und anderer gefährlicher organischer Stoffe genutzt.

Zukunftsrichtungen

Der Großteil der kommerziellen Anwendungen von Nanopartikeln in der Medizin ist derzeit auf die Verabreichung von Medikamenten ausgerichtet. In den Biowissenschaften ersetzen Nanopartikel organische Farbstoffe in den Anwendungen, die eine hohe Photostabilität und eine hohe Multiplexfähigkeit erfordern. Es gibt einige Entwicklungen bei der Steuerung und Fernsteuerung der Funktionen von Nanosonden, z. B. wenn magnetische Nanopartikel zum Tumor gebracht werden und dann entweder die Wirkstoffladung freisetzen oder nur erhitzt werden, um das umliegende Gewebe zu zerstören. Der Haupttrend bei der Weiterentwicklung von Nanomaterialien besteht darin, sie multifunktional und durch externe Signale oder die lokale Umgebung steuerbar zu machen, wodurch sie im Wesentlichen zu Nanogeräten werden.