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Nanoparticles with switchable shells for virus sensing and inhibition

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Goldnanopartikel für sensitivere Diagnostik

Naturähnliche Nanopartikel könnten die nächste Generation antiviraler Medikamente und damit eine bahnbrechende medizinische Diagnostik auf den Weg bringen.

Gesundheit

Als selbstorganisierende Monoschichten (SAM, self-assembled monolayers) werden Schichten organischer Moleküle bezeichnet, die sich spontan auf Oberflächen strukturieren und damit eine wesentliche Voraussetzung heutiger Nanotechnologien sind. Auf dieser Grundlage können u. a. extrem dünne Isolierschichten und elektronische Nanosysteme hergestellt werden. „Reversible selbstorganisierende Monoschichten (rSAM) wiederum können auf elektrisch geladenen Oberflächen in umkehrbarer Weise Molekülschichten bilden“, erklärt Börje Sellergren, Projektkoordinator von rSAMs-NANO und Professor für Biomedizintechnik an der Universität Malmö, Schweden. „Dies verleiht ihnen biomimetische Eigenschaften, die für die Forschung durchaus interessant sind.“ Insbesondere wollten Sellergren und Marie-Skłodowska-Curie-Forschungsstipendiatin Julia Sergejewa herausfinden, ob rSAM auch die Interaktion zwischen Zellen und deren Umgebung oder zelluläre Reaktionen auf Krankheitserreger imitieren können. Dies würde sich vor allem in Bereichen wie der Gewebezüchtung oder Biosensorik anbieten, oder auch zur Forschung an Wirkstoffen, die Wechselwirkungen zwischen Virus und Wirtszelle hemmen. „Vor allem zeichnen sich rSAM durch Robustheit, einfache Herstellung, kurze Vorlaufzeiten und geringe Kosten aus“, erläutert Sellergren. „Voraussetzung für Virusantigen-Schnelltests ist bislang die teure und meist aufwändige Produktion von Antikörpern. Sind diese Hürden überwunden, kann die Reaktion auf Pandemien beschleunigt und die globale Testkapazität erhöht werden.“

Hochempfindliche Diagnostik

In diesem Sinne untersuchte das Projekt rSAMs-NANO, ob rSAM die bisherige medizinische Diagnostik und Therapeutik verbessern könnten. „Diese Forschungsarbeit baute hierfür auf früheren Beiträgen zu Pathogeninhibitoren auf Nanopartikelbasis auf“, erklärt Sellergren. „So war bereits demonstriert worden, dass Goldnanopartikel, die mit Glykanen beschichtet sind, sehr effektiv Bakterien und Viruspartikel hemmen.“ Allerdings fehlten diesen Nanopartikeln bislang dynamische, biomimetische Eigenschaften, wie sie rSAM eigen sind. Um zu testen, ob eine Kombination die diagnostische Empfindlichkeit erhöhen kann, wurden anpassbare Goldkern-Schalen-Nanopartikele aus reversiblen selbstorganisierenden Monoschichten überzogen. „Systematisch untersuchten wir, welchen Einfluss die Größe der Goldnanopartikel, Eigenschaften der Ankerschicht und Zusammensetzung von rSAM auf die Stabilität der Kern-Schalen-Partikel haben“, fügt Sellergren hinzu. „Dabei entwickelten wir eine ideale Kombination von Eigenschaften, die eine gute Stabilität erzielen.“ Die Eignung dieser dynamischen umhüllten Nanopartikel für den Infektionsnachweis wurde an Kapsidproteinen und inaktiven Viruspartikeln bestätigt. So konnten etwa Nanopartikelsensoren für verschiedene Influenzavirusstämme validiert werden. Die Versuche ergaben eine starke Wechselwirkung zwischen Nanopartikeln, die mit Liganden modifiziert worden waren, und deren Rezeptoren. „Zudem wurde ein signifikant proportionaler Zusammenhang zwischen Ligandenmobilität und Bindung an die Zielstruktur festgestellt, sodass die Nachweisempfindlichkeit deutlich höher war als bei anderen Rezeptoren, etwa Antikörpern. „Damit demonstrierten wir letztlich, wie sich aus Goldkern-rSAM-Schalen stabile Nanopartikel erzeugen lassen“, so Sellergren, „und schließlich, wie stark diese mit ihren Rezeptoren interagieren.“

Durchbruch in der Biosensorik

Die Ergebnisse könnten bahnbrechend im Bereich der biomimetischen Biosensorik und Diagnostik sein. Für die im Projekt entwickelten Materialien wurde bereits ein Patent angemeldet, sodass sie nun von einem kleinen Start-up-Unternehmen genutzt werden, das aus dem Projekt hervorging. Die Lizenzvereinbarungen werden derzeit verhandelt. Das Prinzip der von rSAMs-NANO entwickelten Verfahren lässt sich auch anwenden, um Viren am Eindringen in Zellen zu hindern, indem der Rezeptor bereits im Frühstadium der Infektion blockiert wird. Dies könnte für Pharmaunternehmen interessant werden, die antivirale Medikamente der nächsten Generation entwickeln wollen. „Über das durch die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanzierte Projekt konnten wir auch einen Forscher mit außergewöhnlichen Kompetenzen auf diesem Fachgebiet fördern“, merkt Sellergren an. „Dessen Fähigkeiten stimmen mit den von uns angestrebten Zielsetzungen perfekt überein.“

Schlüsselbegriffe

rSAMs-NANO, Nanotechnologie, SAM, Biomimetika, Viren, Zellen, Gold, Nanopartikel

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