Physiker entdecken neuen Transportmechanismus von Nanopartikeln durch Zellmembranen

Nanomaterialien umgeben uns überall: Sie stecken beispielsweise in Kosmetika, Textilien, Lebensmittelverpackungen oder Haushaltsartikeln. Ob dies Gesundheitsgefahren mit sich bringt, wird kontrovers diskutiert. Dabei geht es auch um Mechanismen, mit denen Nanomaterialien möglicherweise in menschliche Zellen eindringen könnten.

Dass dabei die Membranspannung eine Rolle spielen könnte, zeigt die aktuelle Veröffentlichung, die aus einer Kooperation von Physikern der spanischen Universität „Rovira i Virgili“ und der Universität des Saarlandes entstand.

Den theoretischen Teil des Projekts bearbeiteten die Forscher aus Tarragona anhand von Computersimulationen: Am Rechner schufen sie eine künstliche Zellmembran bestehend aus einer Phospholipid-Doppelschicht. „Diese gilt als Modell für die menschliche Zellmembran, die vor allem aus Phospholipiden besteht“, erläutert der Saarbrücker Experimentalphysiker Jean-Baptiste Fleury.

Anschließend hätten die spanischen Kollegen rechnerisch nachgewiesen, dass winzige Kohlenstoffröhrchen zwar in diese Doppelschicht eindringen können, jedoch nicht durch sie hindurchwandern. Dies habe sich geändert, sobald im Computermodell die Membranspannung reduziert wurde:

In diesem Fall konnten die Nanoröhrchen die Membran spontan durchdringen, sagt Fleury, der zurzeit an der Universität des Saarlandes bei Physik-Professor Ralf Seemann habilitiert und gemeinsam mit ihm ein Forschungsprojekt im Sonderforschungsbereich „Physikalische Modellierung von Nicht-Gleichgewichtsprozessen in biologischen Systemen“ leitet.

Die experimentelle Überprüfung der Ergebnisse übernahmen die Saarbrücker Experimentalphysiker. Sie erzeugten die Modellzellmembran aus Phospholipiden in einem so genannten mikrofluidischen Experiment, bei dem kleinste Flüssigkeitsmengen auf engstem Raum eingesetzt werden. Innerhalb eines mikrofluidischen Bauteils brachten sie Wassertröpfchen in Kontakt mit Öl, in dem sich Phospholipide befanden.

Diese Lipid-Moleküle sind polar aufgebaut: Sie besitzen einen hydrophilen (wasserliebenden) „Kopf“ und hydrophobe (wasserabstoßende) Enden, die aus zwei Kohlenwasserstoffketten bestehen. „Im Grenzbereich zwischen Wasser und Öl kann die Lipiddoppelschicht spontan entstehen. Ihren Kern bilden die wasserabstoßenden Anteile, während die hydrophilen Enden der Lipide sich nach außen richten“, erläutert Jean-Baptiste Fleury.

Laut Fleury ist diese fünf Nanometer dicke Doppellage normalerweise für Moleküle undurchlässig. Dies gilt auch für die von den Forschern benutzten Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Mittels optischer Fluoreszenzmikroskopie und elektrophysiologischen Messungen konnten die Experimentalphysiker zeigen, dass die zehn Nanometer langen Röhrchen mit ihren hydrophilen Enden in die künstliche Zellmembran eindrangen, jedoch im Kern festgehalten wurden.

Da die Kohlenstoffröhrchen besonders gute Transporteigenschaften für Ionen besitzen, konnte durch Leitfähigkeitsmessungen gezeigt werden, dass sie senkrecht in der Membran eindrangen und als künstliche Ionenkanäle verwendet werden können. Sobald allerdings die Membranspannung ausreichend reduziert wurde, konnten die Nanoröhrchen durch die Membran hindurchwandern.

„Ab einer Stärke von vier Millinewton pro Meter können die Nanoröhrchen ihren Kontakt mit dem hydrophoben Kern verlieren und die Membran durchdringen“, berichtet Fleury und betont:

„Es handelt sich dabei um einen physikalischen Transportmechanismus, was in Zellen eher selten auftritt. Und wir können diesen Prozess durch die Membranspannung kontrollieren.“

Da Spannungen von einigen Millinewton durchaus in bestimmten menschlichen Zelltypen auftreten können, erlauben die Ergebnisse Rückschlüsse darauf, in welchen Bereichen des Körpers ein Transport von Nanopartikeln durch Zellmembranen grundsätzlich möglich sein könnte.

Link zur Publikation unter: DOI:10.1021/acsnano.8b04657

Kontakt:
Dr. Jean-Baptiste Fleury
Fachrichtung Physik, Universität des Saarlandes
E-Mail: jean-baptiste.fleury(at)pyhsik.uni-saarland.de
Tel.: 0681 302-71712
http://www.uni-saarland.de/fak7/seemann/

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b04657