Magnetische Nanopartikel in biologischen Trägern

Unter dem Transmissionselektronenmikrosp ist die Bakterienzelle sichtbar, in der sich mehrere magnetische Nanopartikel zu einer Kette angeordnet haben. Die Skala zeigt 500 Nanometer.
L. Marcano / HZB

… erstmals einzeln charakterisiert.

Magnetische Nanostrukturen sind vielversprechende Werkzeuge für medizinische Anwendungen. Eingebaut in biologische Vehikel, lassen sich diese dann durch externe Magnetfelder an ihren Einsatzort im Körper steuern, wo sie Medikamente freisetzen oder Krebszellen zerstören können. Dazu ist jedoch die genaue Kenntnis der magnetischen Eigenschaften solcher Nanoteilchen nötig. Bisher konnten solche Informationen nur gemittelt über tausende Nanopartikel gewonnen werden. Nun hat ein Team am HZB eine Methode entwickelt, um die charakteristischen Parameter jedes einzelnen magnetischen Nanopartikels zu bestimmen.

Stellen Sie sich ein winziges Fahrzeug vor, das mit äußeren Magnetfeldern präzise durch den menschlichen Körper gesteuert wird. Am Zielort angekommen, setzt das Vehikel ein Medikament frei oder heizt sich auf, um Krebszellen zu zerstören, ohne gesundes Gewebe zu beeinträchtigen. Eine multidisziplinäre Gruppe an der Universidad del País Vasco, Leioa, Spanien, erforscht dafür die Talente so genannter magnetotaktischer Bakterien. Diese besitzen die überraschende Eigenschaft, magnetische Eisenoxid-Nanopartikel in ihren Zellen zu bilden: Mit einem Durchmesser von etwa 50 Nanometern sind sie rund 100-mal kleiner als Blutzellen. Sie ordnen sich im Inneren des Bakteriums zu einer Kette an. Das spanische Team verfolgt die Idee, solche „magnetischen Bakterien“ zur Behandlung von Krebs durch magnetische Hyperthermie einzusetzen: An den Krebsherd gelenkt, sollen die magnetischen Nanostrukturen durch externe Felder erhitzt werden.

Doch der Erfolg solcher Anwendungen hängt entscheidend von den magnetischen Eigenschaften der einzelnen Nanomagnete ab. Da die Signale solcher winzigen magnetischen Strukturen aber extrem schwach sind, musste man bisher Tausende solcher Strukturen messen, um über Mittelwerte aussagekräftige Daten zu erhalten. Dies hatte die Entwicklung maßgeschneiderter Nanomagnetanwendungen erheblich eingeschränkt.

Nun hat das Team aus Spanien mit der Gruppe um Sergio Valencia am HZB zusammengearbeitet, um die magnetischen Eigenschaften der Nanoteilchen im Inneren dieser Bakterien im Detail zu erforschen. Die spanische Physikerin Lourdes Marcano hat während ihres Postdoc-Aufenthaltes im Team von Valencia bei BESSY II eine neue Methode entwickelt: „Wir können jetzt präzise Informationen über die magnetischen Eigenschaften der einzelnen Nanomagnete erhalten“, sagt sie.

Die Methode erlaubt es, die magnetischen Eigenschaften einzelner magnetischer Nanostrukturen zu messen, auch wenn sie in biologische Einheiten eingebettet sind. Dafür kombinierten die Forschenden Aufnahmen am Raster-Transmissions-Röntgenmikroskop MAXYMUS bei BESSY II mit theoretischen Simulationen, um Informationen über die so genannte magnetische Anisotropie jedes einzelnen Nanopartikels im Sichtfeld des Mikroskops zu erhalten. Dies ermöglichte es, die magnetische Anisotropie von Nanopartikeln im Inneren eines Bakteriums exakt zu bestimmen. Die magnetische Anisotropie ist ein wichtiger Parameter für die Kontrolle und Steuerung von magnetischen Nanopartikeln, da sie beschreibt, wie ein magnetisches Nanopartikel auf externe Magnetfelder reagiert.

„Die magnetische Abbildung von magnetischen Nanopartikeln im Inneren einer biologischen Zelle mit ausreichender räumlicher Auflösung erfordert den Einsatz von Röntgenmikroskopen. Leider ist dies aktuell nur an Großforschungsanlagen wie BESSY II möglich, die ausreichend intensive Röntgenstrahlung liefern. In Zukunft könnte diese Methode jedoch mit der Entwicklung kompakter Plasma-Röntgenquellen zu einer Standard-Labortechnik werden“, sagt Sergio Valencia.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

sergio.valencia AT helmholtz-berlin.de

Originalpublikation:

ACS Nano (2022):

Magnetic Anisotropy of Individual Nanomagnets Embedded in Biological Systems Determined by Axi-asymmetric X‑ray Transmission Microscopy

Lourdes Marcano, Iñaki Orue, David Gandia, Lucía Gandarias, Markus Weigand, Radu Marius Abrudan, Ana García-Prieto, Alfredo García-Arribas, Alicia Muela, M. Luisa Fdez-Gubieda, and Sergio Valencia

DOI: 10.1021/acsnano.1c09559

http://www.helmholtz-berlin.de/

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