Nano Zell Interaktionen

Im Fokus des Programmbereichs „Nano Zell Interaktionen“ stehen die Wechselwirkungen von humanen Zellen mit synthetischen Materialien, insbesondere mit Nanopartikeln. Wir untersuchen die Interaktionen zwischen biologischen und synthetischen Strukturen auf kleinen Größenskalen, bis hinein in den nanoskaligen Bereich.

Hintergrund

Synthetisch hergestellte Nanopartikel sind winzig kleine Teilchen mit Größen im Bereich zwischen 1-100 nm. Aufgrund ihrer besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften weisen sie ein großes Anwendungspotenzial in den unterschiedlichsten Bereichen auf, von der chemischen Industrie über die Energietechnik bis hin zur Medizin. Nanopartikel werden bereits heute zunehmend in Produkten des täglichen Bedarfs eingesetzt.

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Größe makro- bis mikroskopischer Objekte (oben, von links: Kiselsteine, grober Sand, Siliziumdioxidkugeln, Suspensionen verschieden großer Partikel aus Siliziumdioxid, Wasser) und unten: elektronenmikroskopische Abbildungen entsprechender Partikel.

Motivation

Was aber passiert, wenn lebende Organismen oder der menschliche Körper in Kontakt mit Nanopartikeln geraten und letztere beispielsweise durch Inhalation oder Aufnahme über den Mund in den menschlichen Körper gelangen? Uns interessieren hierbei besonders die Vorgänge, die ablaufen, wenn Nanopartikel auf einzelne Zellen treffen. Bekannt ist, dass sie aufgrund ihrer Größe und weiterer Eigenschaften in Zellen eindringen können. Wie aber läuft dieser Aufnahmeprozess ab und in welche Kompartimente innerhalb der Zellen gelangen die Nanopartikel? Mit welchen zellulären Strukturen kommen sie in direkten Kontakt und wie liegen die Nanopartikel überhaupt vor, bilden sie zum Beispiel Agglomerate oder lösen sie sich auf? Rufen sie eine Antwort der Zelle hervor oder bleibt die Zelle von der Anwesenheit der Partikel unbeeinflusst? Dies sind einige der Fragen, mit denen wir uns beschäftigen.

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Menschliche Lungenepithelzellen mit Nanopartikeln (rot), Strukturen des Aktinzytoskeletts (grün)

Arbeitsfelder

Ein wichtiger Aspekt unserer Aktivitäten liegt in der Herstellung spezieller Nanopartikel, die wir zum Teil mit Farbstoffen markieren, damit sie mit bestimmten, zum Beispiel mikroskopischen Techniken nachweisbar sind. Eine genaue Charakterisierung und Kenntnis der Partikeleigenschaften ist für uns von besonderer Bedeutung. Für biologische Experimente kultivieren wir Zellen menschlicher Herkunft im Labor außerhalb des menschlichen Körpers und setzen diese den Nanopartikeln aus. Mit Hilfe biochemischer Tests erfassen wir die zelluläre Antwort. Schließlich setzen wir Methoden der Mikroskopie ein, um die Nanopartikel in biologischer Umgebung nachzuweisen. Insgesamt kombinieren wir chemische, biologische sowie physikalische Kenntnisse und Arbeitsweisen.

STED-Mikroskopie

Um die Wechselwirkung von Nanopartikeln mit subzellulären Strukturen darzustellen, nutzen wir als eine unserer wichtigsten Methoden die kürzlich entwickelte STED- (Stimulated Emission Depletion) Mikroskopie. Diese ist eine hoch auflösende Variante der Fluoreszenz- bzw. Konfokalmikroskopie. Im Gegensatz zur herkömmlichen Technik ermöglicht sie eine laterale Auflösung, welche unterhalb von 100 nm liegt. Damit erlaubt sie eine detaillierte Darstellung von Nanopartikeln, aber auch nanoskaligen zellulären Strukturen.

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STED-Mikroskop, das zur Darstellung der Wechselwirkungen von Nanopartikeln mit biologischen Strukturen eingesetzt wird (gefördert vom BMBF, 2008-2011).