Nanopartikel-Zellchirurgie: Institut für Biomedizinische Optik

Nanopartikel-Zellchirurgie

In der Nanopartikel-Zellchirurgie werden die optisch induzierbaren Wechselwirkungen von Laser-bestrahlten Gold-Nanopartikeln mit biologischem Material untersucht. Mechanische und thermische Effekte, welche um Goldnanopartikel durch gepulste Laserbestrahlung erzeugt werden, können zur Elemination von Zellen genutzt werden. Grundlage dafür sind laserinduzierte Kavitationsblasen, die bei entsprechender Wahl der Laserparameter und entsprechender Komposition der Gold-Nanopartikel zu einer präzise steuerbaren, letalen Schädigung markierter Zellen führen. Thermische Effekte durch cw-Laserbestrahlung von Gold-Nanopartikeln wiederum können zur gezielten Wirkstofffreisetzung verwendet werden.

Spezifische Anbindung von Goldnanopartikeln an Zellmembran durch Funktionalisierung mit Antikörpern. An der Zellmembran können so durch kurz gepulste Laser-Bestrahlung Kavitati-onsblasen induziert werden, welche zur Elimination der adressierten Zelle führen.

Zur Erforschung der Bildung und Dynamik von Kavitationsblasen um Nanopartikel wurde in der Arbeitsgruppe ein Dunkelfeldmikroskop aufgebaut, welches die Detektion einzelner Nanopartikel und die spektrale Analyse ihres Streulichts erlaubt. Zudem wurden ein Pump- und ein Probenlaser eingekoppelt, mit deren Hilfe Kavitationsblasen erzeugt und ihre Blasenwandgeschwindigkeit direkt gemessen werden können. Das neuartige Verfahren zur Blasenmessung wurde in der Arbeitsgruppe von Alfred Vogel und Norbert Linz entwickelt und nun erstmals für die Messung an Goldnanopartikeln angewendet.

Fördermaßnahme des Bundesministeriums für Bildung und Forschung "Optische Technologien in den Lebenswissenschaften - Grundlagen zellulärer Funktionen"

Projekt "Laser-induzierte, Nanopartikel-vermittelte, selektive Zell-Elimination und Modulation"

Projektlaufzeit 01.07.2012 bis 30.06.2015

Neue Werkzeuge für die Manipulation und Gewinnung einzelner Zellen

Optische Technologien zur Erkennung, Vereinzelung und Charakterisierung von Zellen, als den kleinsten Bau- und Funktionseinheiten eines Organismus, tragen fortwährend zum besseren Verständnis von Volkskrankheiten wie z.B. Infektionen oder Krebs bei. Die Aufreinigung spezialisierter Zellen und die Veränderung zellulärer Funktionen bilden dabei die Grundlage für verschiedenste diagnostische und therapeutische Verfahren. Derzeitig gängige Verfahren weisen jedoch Einschränkungen auf, die durch einen hohen technischen Aufwand für die Markierung und Erkennung der gewünschten Zellen, oder die notwendige und belastende Präparation des Zellmaterials entstehen.

LAND-CEM beruht auf einem neuartigen optischen Prinzip, durch das technisch bedingte Grenzen bisheriger Verfahren der Zellpräparation in Bezug auf Reinheit, Geschwindigkeit und Automatisierbarkeit überwunden werden sollen. Genutzt wird dabei die Verstärkung der biologischen Wirkung von Licht durch Gold-Nanopartikel als Absorber, die spezifisch an einzelne Zellen gebunden werden können. Erste Forschungsergebnisse zeigen, dass damit schonend Wirkstoffe in Zellen eingebracht, sowie Zellen berührungslos und gezielt abgetötet werden können. Als Anwendungsfelder dieses Verfahrens werden aktuell zellbasierte Therapien, Tissue Engineering und die Reprogrammierung von Zellen für die regenerative Medizin diskutiert.

Zellpräparation, schneller, präziser und einfacher.

Ziel des Verbundes LAND-CEM ist die Erforschung und Bereitstellung neuartiger Verfahren, um Zellen mit hoher räumlicher und zeitlicher Präzision schonend aufzureinigen und zu präparieren und für Forschung, Diagnostik und Therapie nutzbar zu machen. LAND-CEM beruht dabei auf der Wechselwirkung von Laserlicht mit Gold-Nanopartikeln. Bei entsprechender Wahl der Laserparameter und darauf abgestimmter Zusammensetzung der Gold-Nanopartikel können biologische Effekte erzielt werden, die von einer sanften Freisetzung von Wirkstoffen innerhalb einzelner Zellen bis hin zur optischen Induktion von Nanoexplosionen an den Zellmembranen reichen. Mit Hilfe einer spezifischen Beschichtung der Gold-Nanopartikel wird die biologische Wirkung auf Zellen, welche die Gold-Nanopartikel binden, eingeschränkt. Die im Rahmen des Verbundprojektes erhobenen Erkenntnisse über die Wechselwirkung von gepulster und kontinuierlicher Laserbestrahlung mit Gold-Nanopartikeln, sowie über die biologische Wirkung auf Zellen dienen als Grundlage für neue Gerätekomponenten in der Durchflußzytometrie und Mikroskopie.