Neutronen: Mögliche Gefahren durch Gold-Nanopartikel

20.06.2013

Erste Ergebnisse eines Forschungsprojekts am Institut Laue-Langevin (ILL) sollen das Verständnis von sicherem Umgang und Gebrauch mit wertvollen Nanopartikel verbessern helfen.

Wissenschaftler am ILL haben gezeigt, dass die Oberflächenladung von Gold-Nanopartikeln Einfluss auf deren Wechselwirkung mit der Zellmembran hat. Diese wichtigen Erkenntnisse sollen in erster Linie dazu dienen, Nanopartikel für biomedizinische Anwendungen gezielt zu entwerfen sowie Methoden und Verfahren für ihre sichere Verwendung in einer Vielzahl anderer Verbraucherprodukte zu definieren. Da Nanopartikel aufgrund ihrer geringen Größe leicht organische Membranen wie Zellwände durchdringen können, haben sie möglicherweise erhebliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt.

Noch ungeklärt sind die Wechselwirkungsmechanismen zwischen Nanopartikeln und der Zellmembran. Ohne dieses Verständnis ist es unmöglich festzustellen, wie gefährlich sie sind und ob ihre Fähigkeit, in Zellen einzudringen und sie zu zerstören, jemals genutzt werden kann, zum Beispiel zur Krebsbekämpfung. Es ist bekannt, dass ein komplexer Satz von Parametern diese Wechselwirkung beeinflusst, wie Form, Größe, Zusammensetzung und Ladung der Nanopartikel. Aber es gibt bisher keine systematische Untersuchung, die zeigt, wie die Wechselwirkungen von diesen Parametern auf molekularer Ebene abhängt.

Um dieses Problem anzugehen, untersuchte ein Forschungsteam vom Institut Laue-Langevin (ILL), der Universität Illinois und der australischen Kernforschungsorganisation mit Hilfe der Neutronen und den weltweit führenden Neutronenstreuinstrumenten am ILL die physikalischen Veränderungen in den Zellwänden auf molekularer Ebene, die bei Kontakt mit unterschiedlich geladenen Gold-Nanopartikeln auftreten.

An der Oberfläche von Gold-Nanopartikeln, deren Durchmesser 2 nm betrug, waren entweder kationische (positiv geladene) oder anionische (negativ geladene) Liganden befestigt. Um eine vereinfachte Zellmembran herzustellen, verwendete das Forscherteam zwei Doppelschichten aus Lipidmolekülen im gegenseitigen Abstand von 20–30 Å, die mit natürlichen Zellmembranen vergleichbare dynamische Eigenschaften besitzen. Die Wissenschaftler verwendeten daraufhin das Neutronenreflexionsverfahren am ILL zur genauen Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Nanopartikel und Membran im Subnano-Bereich.

Sie fanden heraus, dass die Oberflächenladung der Nanopartikel tatsächlich die Wechselwirkung mit der Zellmembran wesentlich beeinflusst. Kationische Nanopartikel durchdringen geradewegs die Lipidmembran, nisten sich tief in der frei schwebenden Doppelschicht ein und destabilisieren die gesamte Membranstruktur derart, dass sie die Zelle bei höheren Konzentrationen völlig zerstören. Im Gegensatz dazu drangen anionische Nanopartikel überhaupt nicht in die Lipidmembran ein. Vielmehr verhinderten sie bei gegebener Konzentration die Membranzersetzung und halfen so dabei, extremen Bedingungen zu widerstehen, wie erhöhtem pH-Wert, der sie normalerweise erheblich destabilisieren würde.

COMPAMED.de; Quelle: Institut Laue-Langevyn