Verhalten von Nanopartikeln an Zellmembranen

Aufgrund ihrer molekularen Größenordnung besitzen sie zwar einzigartige und außergewöhnliche Eigenschaften, können aber auch leicht in Zellen von Organismen eindringen. Realistische Datenmodelle sollen nun während der Entwicklungsphase die Toxizität neuer NP in minimalen Tierversuchen berechnen.

Der Umfang des Projekts ist enorm, da neue NP entwickelt und physikalisch-chemische Eigenschaften, Zelltypen und andere Faktoren untersucht werden sollen. Schwerpunkt des EU-finanzierten Projekts MEMBRANENANOPART waren Modelle zur Wechselwirkung zwischen NP und Zellmembran sowie deren Eintritt in Zellen und damit assoziierte Toxizität. Die erste Hälfte des Projekts konzentrierte sich auf Interaktionen zwischen NP und Biomolekülen bzw. Zellmembranen.

Die Modelle beschreiben die Proteinkorona (Proteinadsorptionsschicht), die sich auf der Oberfläche von Nanopartikel bei ihrem Eintritt in biologische Medien bildet und die Wechselwirkung mit lebender Materie beeinflusst. In Studien zu atomistischer Molekulardynamik konnten atomistische Kraftfelder optimiert werden, um Kontaktbereiche zwischen harter (festen anorganischen Nanopartikeln) und weicher Substanz (biologische Moleküle) zu simulieren.

Ein generisches grobkörniges Modell eines Proteinkügelchens gab Aufschluss über die Adsorption der häufigsten Plasmaproteine auf generischen NP-Oberflächen. Hierfür simulierten die Wissenschaftler die Aggregation bei fünf der häufigsten NP-Gruppen.

Die Modelle beschreiben auch, wie NP die Zellmembran durchdringen. So untersuchte das Team die Translokation von Titanoxid-Nanopartikeln durch Lipidmono- und Doppelschichten und entwickelte entsprechende Methoden.

Auf Basis toxikologischer Analysen der Nanopartikel werden später Eigenschaften von NP wie Größe, Form, Oberflächenladung, Hydrophobie oder Hydrophilie korreliert. Die Forscher entwickelten eine systematische Methodologie zur quantitativen Bestimmung der Toxizität, um so Daten verschiedener Quellen vergleichen zu können.

Die Ergebnisse von MEMBRANENANOPART werden NP-Entwicklern prädiktive Modelle an die Hand geben, um Zusammenhänge zwischen physikalisch-chemischen und zelltoxischen Eigenschaften von NP vorherzusagen. Der robuste Screening-Ansatz mit minimalem Einsatz von In-vivo-Tests wird sicherstellen, dass nur Nanomaterialien entwickelt werden, die keine Gefahr für Mensch und Umwelt darstellen.