Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Einblicke in poröse Nanostrukturen - Gezielte Freigabe von Medikamenten im Körper denkbar

30.11.2007
Mesoporöse Nanostrukturen versprechen wahre Universalgenies zu werden: So sollen etwa winzige Kügelchen mit noch winzigeren Poren Medikamente an die richtige Stelle im Körper transportieren und dort gezielt freisetzen.

Damit sich diese Materialien aber auch genau so verhalten, wie man es von ihnen erwartet, muss man möglichst genau verstehen, wie sie von innen aussehen und wie sich zum Beispiel Moleküle von Arzneimitteln wie etwa Proteine in ihnen bewegen.

Mit einer Kombination von Einzelmolekülfluoreszenzmessungen und Elektronenmikroskopie gelang einem Wissenschaftlerteam um Professor Christoph Bräuchle und Professor Thomas Bein, Department Chemie und Biochemie der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München, im Rahmen der Exzellenz-Cluster "Nanosystems Initiative Munich (NIM)" und "Center for Integrated Protein Science Munich (CiPSM)" ein dazu wichtiger Schritt. Wie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Nature" berichtet, konnten sie erstmals die lokale Struktur von mesoporösen Nanostrukturen und die Bewegung von Molekülen in solchen Strukturen miteinander korrelieren.

Als Katalysator für chemische Reaktionen werden poröse Strukturen schon jetzt kommerziell eingesetzt. Zudem aber entstehen in Kanälen von wenigen Nanometern Dicke Nanodrähte, die als Bausteine für die Sensorik der Zukunft dienen sollen. Nicht zuletzt sind der gezielte Transport und die Freigabe von therapeutischen Substanzen im Körper denkbar. Ein wichtiger Fortschritt auf dem Weg zum Verständnis ist nun dem LMU-Forscherteam gelungen, indem sie zwei Methoden kombinierten: Die Struktur eines nanoporösen Festkörpers nahmen sie mit einem Transmissionselektronenmikroskop auf. Die Wege einzelner fluoreszierender Moleküle darin bildeten sie aber mittels optischer Mikroskopie ab und überlagerten anschließend beide Bilder mit einer Genauigkeit von wenigen 10 Nanometern. Diese Methode eröffnet neue Wege zum Verständnis der realen porösen Struktur mit all ihren auffälligen und versteckten Defekten, sowie deren Einfluss auf die Bewegungen der eingeschlossenen Moleküle.

... mehr zu:
»Molekül »Nanostrukturen »Protein

Materialien mit periodisch geordneten Poren im Nanometerbereich, insbesondere mesoporöse Feststoffe mit Porendurchmessern von zwei bis 50 Nanometern, können eine Vielzahl verschiedener Strukturen annehmen. Zur Herstellung nutzt man dabei die Selbstorganisation oberflächenaktiver Moleküle ("Template"). Das funktioniert ähnlich wie bei Seifenmolekülen in Wasser. Diese ordnen sich von selbst in so genannten Mizellen an, winzigen Kügelchen, die sich an ihrer Oberfläche mit dem Wasser verbinden und in ihrem Inneren Fette aufnehmen können. Molekulare Bausteine lagern sich um diese Template herum und bilden durch Vernetzung einen Festkörper, der mit templatgefüllten Hohlräumen durchzogen ist. Diese Hohlräume können die Form von Kugeln, Kanälen oder auch von Schichten haben. Das kann zum Beispiel so aussehen wie ein Bündel Makkaroni. Aufgrund ihrer über weite Bereiche hinweg modifizierbaren Eigenschaften sind diese porösen Materialien ideale Strukturen ("Wirte") für eine Fülle von Anwendungen, etwa in der Katalyse, für die geschützte Aufnahme von Proteinen und die gezielte Freisetzung von Arzneimitteln oder als Matrix für die Herstellung von superdünnen Drähten für die Nanoelektronik.

Da die Anordnung der Poren und Gänge in diesen Materialien besonders die Bewegungen von Molekülen innerhalb des Systems beeinflusst, ist es von großem Interesse, das Verhalten dieser Moleküle mit der lokalen Struktur des Wirtssystems zu korrelieren. Diese Bewegungen lassen sich zum Beispiel mit Hilfe der Einzelmolekülfluoreszenzmikroskopie beobachten, die bereits detaillierte Einblicke in die Dynamik verschiedenster biologischer Vorgänge in Zellen bis hin zur heterogenen Katalyse geben konnte. Einzelne fluoreszierende Farbstoffmoleküle kann man sich als leuchtende Sonden vorstellen, mit denen man die Diffusionsprozesse im Inneren poröser Wirte verfolgen kann. Aus den Wegen der Moleküle lassen sich dann Rückschlüsse auf die Struktur des porösen Wirtsmaterials ziehen.

Die Einzelmolekülmikroskopie liefert dabei zwar eine deutlich höhere Auflösung als die konventionelle optische Mikroskopie, nämlich bis zu wenigen Nanometern. Durch das Verfolgen einzelner Moleküle kann man aber nur indirekt die Kanalsysteme beobachten, in die das Molekül eindringen kann. Die Transmissionselektronenmikroskopie, deren Auflösung noch höher ist - sie liegt im atomaren Bereich - ist dagegen in der Lage, die gesamte Struktur abzubilden. Sie liefert jedoch keinerlei dynamische Informationen über die Bewegung der Gastmoleküle. Daher war es bis jetzt nicht möglich, die Diffusion einzelner Moleküle mit der realen nanoporösen Struktur ihrer Umgebung zu korrelieren.

Gemeinsam gelang nun den Arbeitsgruppen um Professor Christoph Bräuchle und Professor Thomas Bein die Kombination von Einzelmolekülfluoreszenzmessungen und elektronenmikroskopischen Aufnahmen an derselben Position innerhalb einer mesoporösen Struktur. Die Forscher zeigen, wie einzelne leuchtende Farbstoffmoleküle durch geradlinige oder stark gekrümmte Bereiche eines mesoporösen Kanalsystems wandern, wie sie an Domänengrenzen oder am Übergang zu amorphen Gebieten zur Umkehr gezwungen werden, und sogar wie sie durch Defektstellen in der Wand von einem Kanal zum nächsten schlüpfen können. Außerdem konnten in verschiedenen Bereichen der Wirtsstruktur unterschiedliche Diffusionsgeschwindigkeiten nachgewiesen werden - abhängig von der vorherrschenden Struktur.

Der neue experimentelle Ansatz liefert den Forschern detaillierte Informationen über die reale Defektstruktur poröser Materialien mit einer hohen räumlichen Auflösung, die mit herkömmlichen Beugungsmethoden nicht erreicht werden kann, da diese immer einen Mittelwert über größere Bereiche hinweg abbilden. Ebenso erhalten sie auf diese Weise lokal aufgelöste dynamische Informationen in Echtzeit, die mit konventionellen Diffusionstechniken ebenfalls nicht erzielt werden können. Die Forscher erwarten von dieser neuen Methode detaillierte Einblicke in die reale Struktur und Dynamik vieler poröser Materialien und wichtiger Wirt-Gast Systeme, beispielsweise von bioaktiven Molekülen in porösen Materialien für den zielgerichteten Transport von Arzneimitteln, von Reaktionspartnern in porösen Katalysatoren, oder bei der Herstellung von Nanodrähten für die Sensorik von morgen.

Die aktuell in Nature vorgestellten Arbeiten entstanden im Rahmen der Exzellenz-Cluster "Nanosystems Initiative Munich" und "Center for Integrated Protein Science Munich", die es sich zum Ziel gesetzt haben, funktionale Nanostrukturen für Anwendungen in der Medizin und in der Informationsverarbeitung zu entwickeln, zu erforschen und zum Einsatz zu bringen.

Publikation:
"Visualizing single-molecule diffusion in mesoporous materials", Andreas Zürner, Johanna Kirstein, Markus Döblinger,

Christoph Bräuchle & Thomas Bein, Nature 2007, Vol. 450; S. 705-708, 29. November 2007

Ansprechpartner:
Professor Dr. Christoph Bräuchle
Department Chemie und Biochemie der LMU
Tel.: 089 / 2180 - 77549
Fax: 089 / 2180 - 77550
E-Mail: christoph.bräuchle@cup.uni-muenchen.de
Professor Dr. Thomas Bein
Department Chemie und Biochemie der LMU
Tel.: 089 / 2180 - 77623
Fax: 089 / 2180 - 77622
E-Mail: bein@lmu.de
Dr. Peter Sonntag
Nanosystems Initiative Munich (NIM)
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Tel.: 089 / 2180 - 5091
Fax: 089 / 2180 - 5649
E-Mail: peter.sonntag@lmu.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de/

Weitere Berichte zu: Molekül Nanostrukturen Protein

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress
23.02.2018 | Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT)

nachricht Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren
23.02.2018 | Max-Planck-Institut für molekulare Genetik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Vorstoß ins Innere der Atome

Mit Hilfe einer neuen Lasertechnologie haben es Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ geschafft, Attosekunden-Lichtblitze mit hoher Intensität und Photonenenergie zu produzieren. Damit konnten sie erstmals die Interaktion mehrere Photonen in einem Attosekundenpuls mit Elektronen aus einer inneren atomaren Schale beobachten konnten.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beobachten möchte, der benötigt ultrakurze und intensive Lichtblitze bei genügend...

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vorstoß ins Innere der Atome

23.02.2018 | Physik Astronomie

Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics