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 Zebras: Immer der Erinnerung nach
24.05.2017 | Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen

nachricht Wichtiges Regulator-Gen für die Bildung der Herzklappen entdeckt
24.05.2017 | 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: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft

24.05.2017 | Physik Astronomie

3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind

24.05.2017 | Physik Astronomie

Optisches Messverfahren für Zellanalysen in Echtzeit - Ulmer Physiker auf der Messe "Sensor+Test"

24.05.2017 | Messenachrichten