Nanopartikuläre Hybridsysteme für biomedizinische Anwendungen
von Viktor MaurerIm Bereich der Biomedizin werden Nanopartikel in Form von Kontrastmitteln oder Wirkstoffträgersystemen
bereits routinemäßig eingesetzt. Durch ihre größenbasierten Eigenschaften
können die Partikel im Zielgewebe systematisch akkumulieren (z. B. nach magnetischer
Zielführung) und dort sensitive Diagnoseverfahren oder auch effiziente Therapiekaskaden
realisieren. Insbesondere eine Kombination von anorganischen Nanopartikeln (bspw.
superparamagnetische Eisenoxidnanopartikel, FexOyNP) mit organischen Molekülen und
Strukturen (Wirkstoffe, Antikörper etc.) bietet die Möglichkeit zur Entwicklung innovativer
nanopartikulärer Hybridsysteme mit multifunktionellen Eigenschaften.
In der vorliegenden Dissertation wurden neue Ansätze zur Herstellung und biomedizinischen
Anwendung von insgesamt vier verschiedenartigen organisch-anorganischen Nanohybridpartikeln
etabliert. Hierfür wurden zunächst Indiumphosphid/Zinksulfid-Quantenpunkte
(InP/ZnS-QDs) sowie FexOyNP und Goldnanopartikel (AuNP) mittels nasschemischer Verfahren
erzeugt. Die Herstellung des ersten Hybridpartikelsystems erfolgte über eine selektive
Ankopplung von FexOy- und AuNP an einen Alzheimer-Biomarker. Neben einer sensitiven ex
vivo Biomarkerdetektion mittels oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie (SERS) wurde
ein detailliertes Prozessverständnis durch umfassende Untersuchung der Synthese- und
Funktionalisierungsschritte anhand unterschiedlicher Analysemethoden erreicht. Drei weitere
Nanohybride wurden durch gleichzeitige Einkapselung von superparamagnetischen FexOyNP
mit jeweils einer weiteren Komponente (therapeutische RNA, fluoreszierende InP/ZnS-QDs
oder plasmonische AuNP) in organische Nanovesikel (Niosome) hergestellt und für eine in
vitro Anwendung zu verschiedenen Krebszelllinien appliziert. Das RNA-beladene superparamagnetische
Hybridnanopartikel konnte durch erhöhte zelluläre Internalisierung mittels
magnetischer Zielführung eine effiziente RNA-gestützte Chemotherapie ermöglichen. Durch
Einkapselung der InP/ZnS-QDs und FexOyNP konnte ein weiterer Nanohybrid als Fluorophor
sowie auch als Kontrastmittel eingesetzt werden. Das vierte Hybridnanopartikel erlaubte nach
postsynthetischer magnetischer Aufreinigung eine sensitive SERS-basierte Diagnostik. Als
Applikationsplattform bewirkten die Niosome ein verbessertes Anwendungspotential durch
den Schutz der eingeschlossenen Komponenten vor einem Funktionalitätsverlust infolge
unterschiedlicher in vitro Einflüsse (z. B. Azidität). In ergänzenden Untersuchungen wurde zur
ressourceneffizienten Herstellung eines niosomalen Wirkstoffträgersystems eine Syntheseroute
mittels einer kommerziellen mikrofluidischen Apparatur entwickelt.
Bei den unterschiedlichen nanopartikulären Formulierungen wurden wesentliche
physikalische, chemische und biologische Zusammenhänge zwischen den eingesetzten
Substanzen, der Prozesskette und dem resultierenden Partikelsystem analysiert. Folglich
wurden grundsätzliche Herstellungs- und Anwendungsstrategien für nanopartikuläre Hybridsysteme
abgeleitet und diskutiert.
bereits routinemäßig eingesetzt. Durch ihre größenbasierten Eigenschaften
können die Partikel im Zielgewebe systematisch akkumulieren (z. B. nach magnetischer
Zielführung) und dort sensitive Diagnoseverfahren oder auch effiziente Therapiekaskaden
realisieren. Insbesondere eine Kombination von anorganischen Nanopartikeln (bspw.
superparamagnetische Eisenoxidnanopartikel, FexOyNP) mit organischen Molekülen und
Strukturen (Wirkstoffe, Antikörper etc.) bietet die Möglichkeit zur Entwicklung innovativer
nanopartikulärer Hybridsysteme mit multifunktionellen Eigenschaften.
In der vorliegenden Dissertation wurden neue Ansätze zur Herstellung und biomedizinischen
Anwendung von insgesamt vier verschiedenartigen organisch-anorganischen Nanohybridpartikeln
etabliert. Hierfür wurden zunächst Indiumphosphid/Zinksulfid-Quantenpunkte
(InP/ZnS-QDs) sowie FexOyNP und Goldnanopartikel (AuNP) mittels nasschemischer Verfahren
erzeugt. Die Herstellung des ersten Hybridpartikelsystems erfolgte über eine selektive
Ankopplung von FexOy- und AuNP an einen Alzheimer-Biomarker. Neben einer sensitiven ex
vivo Biomarkerdetektion mittels oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie (SERS) wurde
ein detailliertes Prozessverständnis durch umfassende Untersuchung der Synthese- und
Funktionalisierungsschritte anhand unterschiedlicher Analysemethoden erreicht. Drei weitere
Nanohybride wurden durch gleichzeitige Einkapselung von superparamagnetischen FexOyNP
mit jeweils einer weiteren Komponente (therapeutische RNA, fluoreszierende InP/ZnS-QDs
oder plasmonische AuNP) in organische Nanovesikel (Niosome) hergestellt und für eine in
vitro Anwendung zu verschiedenen Krebszelllinien appliziert. Das RNA-beladene superparamagnetische
Hybridnanopartikel konnte durch erhöhte zelluläre Internalisierung mittels
magnetischer Zielführung eine effiziente RNA-gestützte Chemotherapie ermöglichen. Durch
Einkapselung der InP/ZnS-QDs und FexOyNP konnte ein weiterer Nanohybrid als Fluorophor
sowie auch als Kontrastmittel eingesetzt werden. Das vierte Hybridnanopartikel erlaubte nach
postsynthetischer magnetischer Aufreinigung eine sensitive SERS-basierte Diagnostik. Als
Applikationsplattform bewirkten die Niosome ein verbessertes Anwendungspotential durch
den Schutz der eingeschlossenen Komponenten vor einem Funktionalitätsverlust infolge
unterschiedlicher in vitro Einflüsse (z. B. Azidität). In ergänzenden Untersuchungen wurde zur
ressourceneffizienten Herstellung eines niosomalen Wirkstoffträgersystems eine Syntheseroute
mittels einer kommerziellen mikrofluidischen Apparatur entwickelt.
Bei den unterschiedlichen nanopartikulären Formulierungen wurden wesentliche
physikalische, chemische und biologische Zusammenhänge zwischen den eingesetzten
Substanzen, der Prozesskette und dem resultierenden Partikelsystem analysiert. Folglich
wurden grundsätzliche Herstellungs- und Anwendungsstrategien für nanopartikuläre Hybridsysteme
abgeleitet und diskutiert.