Nanopartikel ermöglichen Einfrieren roter Blutkörperchen mit natürlichem „Frostschutz“

Bluttransfusionen sind tägliche Praxis in Krankenhäusern. Dies erfordert einen ausreichenden Vorrat an roten Blutkörperchen. Um die Zellen haltbar zu machen, werden sie bei minus 80 Grad Celsius gelagert (Kryokonservierung). Als Gefrierschutz nutzt man seit den 1970er Jahren Lösungsmittel wie Glycerin.

Da dieses giftig ist, muss es vor der Transfusion mittels Dialyse aufwändig aus dem Blut entfernt werden. Im Gegensatz dazu könnten natürliche Frostschutzmittel wie Trehalose – ein Disaccharid, das in einigen Pflanzen und Pilzen vorkommt – bei der Kryokonservierung genutzt werden, ohne dass eine anschließende Dialyse notwendig wäre. Allerdings hat sich gezeigt, dass auf diese Weise beim Auftauen zu viele rote Blutzellen absterben.

Um zu erforschen, wie die Kryokonservierung mittels Trehalose dennoch gelingen könnte, hat eine Forschergruppe vom CIRIMAT-Institut der Universität Toulouse Experimente mit Apatit-Nanopartikeln durchgeführt (Durchmesser circa 40 Nanometer). Diese mineralischen Partikel konnten die Wissenschaftler kostengünstig selber herstellen.

Sie bestehen aus denselben Bestandteilen wie Knochen oder Zähne, sind also biokompatibel. In Zusammenarbeit mit Materialwissenschaftlern aus Slovenien testeten sie die Kryokonservierung der roten Blutzellen mittels Trehalose in Anwesenheit von Nanopartikeln.

In diesen Versuchen überstanden mehr als 90 Prozent der roten Blutkörperchen den Auftauprozess unbeschadet; damit wäre dieses Verfahren für klinische Anwendungen praktikabel. Die Forscher schlussfolgerten, dass die Apatit-Nanopartikel die Aufnahme von Trehalose durch die Zellmembran der roten Blutkörperchen ermöglichen.

Welcher Mechanismus dabei wirksam wurde, untersuchte ein Team von theoretischen Physikern der spanischen Universität „Rovira i Virgili“ und von Experimentalphysikern um Dr. Jean-Baptiste Fleury an der Universität des Saarlandes (Arbeitsgruppe Prof. Ralf Seemann).

Die Saarbrücker Forscher entwarfen eine künstliche Zellmembran aus einer Doppellage von Phospholipiden und untersuchten die Interaktion einzelner Nanopartikel mit der Membran. Mittels Fluoreszensmikroskopie und elektrophysiologischen Messungen konnten sie ermitteln, mit welcher Geschwindigkeit sich die Nanopartikel an die Membran anhefteten.

Diese gilt als Maß für die Adhäsionsenergie und ist die entscheidende Größe für die anschließende Computersimulation der spanischen Wissenschaftler: In dieser konnte die Membran um einzelne Nanoapatit-Teilchen herum dargestellt werden. Es zeigte sich, dass sich in der Umgebung der Nanoteilchen die „Packungsdichte“ der Phospholipid-Moleküle verringerte, wodurch die Membran – ähnlich wie ein Gummiband – lokal gedehnt wurde. Als Folge kann der Gefrierschutz Trehalose die Zellmembran in ausreichend großer Menge durchdringen.

Die Ergebnisse der Studie erlauben neue Vorgehensweisen in der klinischen Praxis. Zudem eröffnen sie interessante Möglichkeiten in der Biotechnologie, insbesondere beim Transport von Arzneimittelwirkstoffen.

Das Projekt wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1027 an der Universität des Saarlandes unterstützt.
Weitere Infos zum Sonderforschungsbereich: https://idw-online.de/en/news663669
Link zum SFB 1027: http://www.sfb1027.uni-saarland.de/

Link zur Veröffentlichung:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961217304179

Kontakt:
Dr. Jean-Baptiste Fleury
Experimentalphysik der Universität des Saarlandes
E-Mail: jean-baptiste.fleury@physik.uni-saarland.de
http://www.uni-saarland.de/fak7/seemann/