Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Auf die Form kommt es an - Jülicher Physiker simulieren die Aufnahme von Nanoteilchen in Zellen

05.02.2014
Die Medizin setzt große Hoffnung in Nanomedikamente, die – gezielt in kranke Zellen eingeschleust – dort Medikamente freisetzen und gesunde Gewebe schonen sollen.

Aktuelle Forschungsergebnisse Jülicher Physiker könnten dabei helfen, Stoffe zu identifizieren, die leicht von Zellen aufgenommen werden können. Die Forscher haben herausgefunden, wie die Form von Nanoteilchen die Aufnahme beeinflusst.


Nanoteilchen können von Zellmembranen in einem mehrstufigen Prozess eingehüllt werden, fanden Jülicher Forscher. Hier: Anhaften einer Würfelfläche an einer Membran mit sehr geringer Membrandeformation

Forschungszentrum Jülich


Diese Grafik zeigt einen Nanowürfel, der tief in die Membran eingebettet ist

Forschungszentrum Jülich

Die Ergebnisse, die auch für die Identifizierung möglicherweise zellschädigender Effekte mancher Nanoteilchen dienlich sein könnten, hat die renommierte Fachzeitschrift "Nano Letters" online veröffentlicht (DOI: 10.1021/nl403949h).

Lebende Zellen sind von einer schützenden Hülle umgeben, der Zellmembran. Sie bildet jedoch keine starre Barriere, sondern ist leicht verformbar, ähnlich wie die Haut einer Seifenblase. Dies ist wichtig, denn eine Zelle ist keine abgeschlossene Einheit, sondern muss Nährstoffe aus ihrer Umgebung aufnehmen und Stoffwechselprodukte ausscheiden können. Dazu kann die Membran sich um große Moleküle und Nanoteilchen wickeln und winzige Bläschen abschnüren, die in die Zellen hinein oder aus ihnen hinaus gelangen.

Diesen Weg möchten sich Mediziner für die Bekämpfung etwa von Krebs zunutze machen und Wirkstoffe so in Form von Nanomedikamenten verpacken, dass sie nur in kranke Zellen eindringen und dort ihre heilsame Wirkung entfalten. Dies würde etwa Nebenwirkungen drastisch reduzieren.

Nanopartikel sind etwa 80.000 Mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Jülicher Physiker zeigten nun mit Hilfe von Computersimulationen, dass die Form der winzigen Teilchen die Aufnahme in Zellen entscheidend beeinflusst. "Physikalisch streben Teilchen und Membran eine möglichst große Kontaktfläche bei möglichst geringer Verbiegung an", erläutert Dr. Thorsten Auth vom Jülicher Institute of Complex Systems die Grundlage ihrer Berechnungen. "Nur wenn die Adhäsionsstärke zwischen Teilchen und Membranoberfläche groß genug ist, kann die Biegesteifigkeit der Membran überwunden und das Teilchen von der Membran umhüllt werden. Dies gilt zunächst einmal unabhängig von der genauen Materialzusammensetzung." Mit Hilfe eines Modells, das nur die Größe und Form der Teilchen, die Biegesteifigkeit der Membran sowie die Bindefreudigkeit zwischen Teilchen und Membran berücksichtigt, berechneten die Forscher systematisch, unter welchen Bedingungen Membranen Nanoteilchen einwickeln, unter welchen dies nicht gelingt und wann Membranen die Partikel nur teilweise umhüllen und diese quasi in der Grenzschicht stecken bleiben.

Das Ergebnis: Das Umhüllen der Teilchen durch die Membran kann entweder kontinuierlich oder schrittweise ablaufen. Entscheidend dafür sind das Verhältnis von Länge und Breite der Teilchen und die Weichheit ihrer Rundungen. Konkret: Wenn bei einem runden Teilchen die Adhäsionsstärke die Biegesteifigkeit der Membran übersteigt, wird es in einem kontinuierlichen Prozess komplett eingehüllt, da seine Rundung an jeder Stelle gleich ist. Ein Würfel dagegen kann schon bei einer sehr geringen Adhäsionsenergie zunächst mit einer Fläche an der Membran anhaften. Mehr Energie ist nötig, damit sich die Membran um die Kanten und die vier Seitenflächen herum anlegt, noch einmal eine stärkere Adhäsionskraft, um schließlich auch die letzten Kanten und die obere Fläche einzuhüllen.

Den Hüllprozess haben die Forscher für verschiedene Formen, von Ellipsen bis Würfeln, mit verschiedenen Seitenverhältnissen und Kantenrundungen untersucht. Systematisch variierten sie dabei das Verhältnis von Länge und Dicke und veränderten die Form der Teilchen Schritt für Schritt von rundlich zu eckig. „Unsere Untersuchungen bilden eine Basis, um durch eine geeignete Wahl der Materialien Teilchen zum Beispiel so zu designen, dass sie komplett von der Zelle aufgenommen werden, oder auch so, dass sie nur an der Membran haften oder nur zum Teil eingehüllt werden“, erläutert Prof. Gerhard Gompper, Direktor am Institute of Complex Systems. „Das birgt Anwendungspotentiale zum Beispiel für Sensormoleküle, die in die Membran eingelagert, aber nicht von der Zelle verschluckt werden sollen, oder für Nanomedikamente, die eine flache Stelle für die anfängliche Bindung, aber keine scharfen Kanten haben sollten, damit sie von der Zelle aufgenommen werden können.“

Originalveröffentlichung:

Shape and Orientation Matter for the Cellular Uptake of Nonspherical Particles; Sabyasachi Dasgupta , Thorsten Auth , and Gerhard Gompper;

Nano Lett., Article ASAP, DOI: 10.1021/nl403949h, Publication Date (Web): January 2, 2014

Ansprechpartner:

Dr. Thorsten Auth, Forschungszentrum Jülich, Institute of Complex Systems - Theorie der Weichen Materie und Biophysik (ICS-2)

Tel. 02461 61-1735, E-Mail: t.auth@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin, Forschungszentrum Jülich,
Tel. 02461 61-6048, E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2014/14-02-05nanoletters.html

- Zur Pressemitteilung des Forschungszentrums Jülich

http://www.fz-juelich.de/ics/DE/Home/home_node.html
- Institute of Complex Systems
http://www.fz-juelich.de/ics/ics-2/DE/Home/home_node.html
- Institutsbereich Theorie der Weichen Materie und Biophysik (ICS-2 / IAS-2)

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Up-Scaling: Katalysatorentwicklung im Industriemaßstab
22.11.2017 | Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT

nachricht Ozeanversauerung schädigt Miesmuscheln im Frühstadium
22.11.2017 | GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

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: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

IfBB bei 12th European Bioplastics Conference mit dabei: neue Marktzahlen, neue Forschungsthemen

22.11.2017 | Veranstaltungen

Zahnimplantate: Forschungsergebnisse und ihre Konsequenzen – 31. Kongress der DGI

22.11.2017 | Veranstaltungen

Tagung widmet sich dem Thema Autonomes Fahren

21.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Bakterien als Schrittmacher des Darms

22.11.2017 | Biowissenschaften Chemie

Ozeanversauerung schädigt Miesmuscheln im Frühstadium

22.11.2017 | Biowissenschaften Chemie

Die gefrorenen Küsten der Arktis: Ein Lebensraum schmilzt davon

22.11.2017 | Geowissenschaften