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Untersuchungen zur Stabilität von Halbleiternanopartikeln, deren Biokonjugationen mittels Staudinger Ligation und Zellaufnahmestudien solcher Systeme

Gehring, Manuela - Universität Hamburg (2014)


In dieser Studienarbeit wurden zunächst Untersuchungen diverser Nanopartikelsysteme hinsichtlich ihrer Stabilitäten für biologische Anwendungen und zytotoxischen Eigenschaften in Abhängigkeit ihrer Teilchen- und Ligandenbeschaffenheit durchgeführt.

Dabei konnte gezeigt werden, dass sphärische Teilchen eine höhere Stabilität in den untersuchten biologisch relevanten Medien aufwiesen als vergleichsweise die stäbchenförmigen Partikel (siehe Partikelsystem b). In Abhängigkeit von der Ligandenoberfläche zeigten die QDs modifiziert mit dem mehrzähnigen Thiolliganden (Partikelsystem e) unter allen getesteten Bedingungen eine hinreichende Stabilität. Nur die Lagerung in Wasserstoffperoxid löste bei allen Nanopartikel-Ligandensystemen früher oder später eine vollständige Auflösung der Teilchen mit Einhergehen der Fluoreszenzlöschung aus. Die sphärischen Partikel mit der mizellaren Ligandenhülle (Partikelsysteme a, c und d) sowie die kommerziellen Teilchen (Partikelsysteme f und g) waren in den meisten Medien stabil. Dabei konnten nahezu einheitlich Ergebnisse in Bezug der Instabilität der Lösungen erhalten werden. Besonders Protonen, die FCS-haltigen Zellmedien oder auch die Lagerungsbedingungen bei -20 °C zeigten sehr starke Einflüsse auf die QDs.

Nach abgeschlossener Studie der Biostabilität und unter Berücksichtigung der vorhandenen Quantität der Nanopartikel wurden drei Teilchensysteme für nachfolgende Kopplungsreaktionen mittels der Staudinger Ligation ausgewählt. Hierzu mussten die Reaktionsbedingungen der sogenannten nicht spurlosen und spurlosen Staudinger Ligation untersucht und bewertet werden. Dazu dienten zuerst Modellreaktionen nach bekannter Literatur an kommerziellen kurzkettigen mPEGs. Es zeigte sich, dass der Reaktionsverlauf der nicht spurlosen Ligation zufriedenstellende Ergebnisse liefert, während die spurlose Staudinger Ligation erfolglos blieb und weiterer Forschung bedarf. Folglich konnten die Reaktionsbedingungen der nicht spurlosen Staudinger Ligation auf die im Arbeitskreis Weller synthetisierten Diblock-Copolymere übertragen werden.

Im Anschluss wurden die ausgewählten Nanopartikel (a, b und e) mittels dieses Verfahrens mit 1-Azido-1-deoxy-β-D-galactopyranosid sowie 6-Azido-6-deoxy-Dglucose modifiziert. Zwar zeigten die Teilchen mit mizellarer Ligandenoberfläche (a und b) in dem Zellmedium (10%FCS + DMEM) über einen Zeitraum von einer Woche keine Stabilität, die sich anschließenden Zelltests wurden allerdings innerhalb von zwei bis 20 Stunden durchgeführt.

Abschließende Untersuchungen wurden zu den Zellaufnahmestudien der modifizierten Nanopartikel gemacht. Hierzu konnten die spezifischen Affinitäten der mit 1-Azido-1-deoxy-β-D-galactopyranosid konjugierten sphärischen Teilchen an die Leberzelllinie Hep-G2 über den ASGP-Rezeptor aufgezeigt werden, ebenso zeigten die mit 6-Azido-6-deoxy-D-glucose verknüpften sphärischen Partikeln erwartungsgemäß keine Interaktionen mit den Zellen. Die Ergebnisse der Zelltests mit dem elongierten Partikelsystem (b) wiesen Aufnahmen in die Zellen unabhängig vom konjugierten Zuckerrest auf.

Schließlich konnte mit dem WST-8 Assay gezeigt werden, dass die QD/QRs (b) ab einer Partikelkonzentration von 125 nM sowie die mit dem mehrzähnigen Thiolliganden modifizierten QDs ab 250 nm zytotoxisch reagierten. Die übrigen Teilchensysteme zeigten keinerlei toxische Effekte auf die untersuchten Zellen bis zu Partikelkonzentrationen von 1 μM.

Da die in dieser Arbeit anfänglichen Studien zur Staudinger Ligation auf Grund des Umfangs nicht tiefgründiger untersucht werden konnten, sollte für weiterführende Studien das Augenmerk besonders auf die Erforschung von geeigneten Reaktionsbedingungen bei der spurlosen Staudinger Ligation gerichtet sein. Dem sollten sich Biokonjugationen mit den übrigen Partikelsystemen aus der Stabilitätsreihe für Zellaufnahmestudien anschließen.


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