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 Kupferhydroxid-Nanopartikel schützen vor toxischen Sauerstoffradikalen im Zigarettenrauch
30.03.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Nierentransplantationen: Weisse Blutzellen kontrollieren Virusvermehrung
30.03.2017 | Universität Basel

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: Atome rennen sehen - Phasenübergang live beobachtet

Ein Wimpernschlag ist unendlich lang dagegen – innerhalb von 350 Billiardsteln einer Sekunde arrangieren sich die Atome neu. Das renommierte Fachmagazin Nature berichtet in seiner aktuellen Ausgabe*: Wissenschaftler vom Center for Nanointegration (CENIDE) der Universität Duisburg-Essen (UDE) haben die Bewegungen eines eindimensionalen Materials erstmals live verfolgen können. Dazu arbeiteten sie mit Kollegen der Universität Paderborn zusammen. Die Forscher fanden heraus, dass die Beschleunigung der Atome jeden Porsche stehenlässt.

Egal wie klein sie sind, die uns im Alltag umgebenden Dinge sind dreidimensional: Salzkristalle, Pollen, Staub. Selbst Alufolie hat eine gewisse Dicke. Das...

Im Focus: Kleinstmagnete für zukünftige Datenspeicher

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Chemikern der ETH Zürich hat eine neue Methode entwickelt, um eine Oberfläche mit einzelnen magnetisierbaren Atomen zu bestücken. Interessant ist dies insbesondere für die Entwicklung neuartiger winziger Datenträger.

Die Idee ist faszinierend: Auf kleinstem Platz könnten riesige Datenmengen gespeichert werden, wenn man für eine Informationseinheit (in der binären...

Im Focus: Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet

Wie kann man Quanteninformation zuverlässig übertragen, wenn man in der Verbindungsleitung mit störendem Rauschen zu kämpfen hat? Uni Innsbruck und TU Wien präsentieren neue Lösungen.

Wir kommunizieren heute mit Hilfe von Funksignalen, wir schicken elektrische Impulse durch lange Leitungen – doch das könnte sich bald ändern. Derzeit wird...

Im Focus: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Nierentransplantationen: Weisse Blutzellen kontrollieren Virusvermehrung

30.03.2017 | Biowissenschaften Chemie

Zuckerrübenschnitzel: der neue Rohstoff für Werkstoffe?

30.03.2017 | Materialwissenschaften

Integrating Light – Your Partner LZH: Das LZH auf der Hannover Messe 2017

30.03.2017 | HANNOVER MESSE