Hocheffiziente magnetische Nanomaterialien ohne Einbußen bei der biologischen Sicherheit
Magnetische Nanoenzyme auf Eisenoxidbasis stellen eine neue Klasse künstlicher Enzyme dar, die dem Vorbild natürlicher Enzyme nahekommen und zudem die einzigartige Fähigkeit beibehalten, dass sie mithilfe externer Magnetfelder leicht gesteuert und zurückgewonnen werden können. Allerdings ist die Vorhersage und Steuerung ihrer Selektivität, Robustheit, Reproduzierbarkeit und biologischen Sicherheit in realen Umgebungen eine Herausforderung. Dank der Finanzierung über das Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmenprogramm(öffnet in neuem Fenster) wurde Projekt NESTOR(öffnet in neuem Fenster) ins Leben gerufen, um diesen Engpass zu beseitigen. „Anstatt einfach nur verschiedene Nanopartikelmaterialien zu synthetisieren, um einzelne Eigenschaften zu optimieren, wollten wir vor allem herausfinden, wie man Eisenoxidoberflächen so gestaltet, dass sich die katalytische Aktivität, magnetische Reaktion und biologische Sicherheit innerhalb einer einzigen Materialplattform steuern lässt“, erklärt Projektkoordinator Gerardo F. Goya.
Von empirischen Studien zum Designkonzept
Um dies zu erreichen, ist NESTOR im Hinblick auf Nanozyme von einem rein empirischen Ansatz nach dem Versuch-und-Irrtum-Prinzip zu einem robusten mechanistischen Rahmen übergegangen. Die Studie zeigte, wie die Oberflächeneigenschaften eines Nanopartikels (atomare Ladung, Defekte, Beschichtungen und magnetische Erwärmung) die chemischen Reaktionswege bestimmen, über die reaktive Moleküle entweder erzeugt oder zerstört werden. Zu den untersuchten spezifischen Arten chemischer Reaktionen zählten Fenton-ähnliche, Peroxidase-ähnliche und Katalase-ähnliche Prozesse. Dieses Verständnis ist deswegen wichtig, da sich ein einzelnes Material je nach pH-Wert, Aggregation oder der umgebenden biologischen Umgebung sehr unterschiedlich verhalten kann. Indem der Einfluss von Veränderungen in der Kationenverteilung, im Redoxzustand und in der Oberflächenstruktur auf die Leistung und die biologische Reaktion miteinander verglichen wurde, konnte das Team Verhaltensweisen vorhersagen, die zuvor völlig unerwartet waren. „Wir haben früh erkannt, dass eine höhere katalytische Aktivität nicht immer besser ist. Da oxidativer Stress ein zweischneidiger Mechanismus ist, kann er für antimikrobielle Wirkung, Umweltsanierung und Krebstherapien genutzt werden, es muss jedoch eine sorgfältig Steuerung gegeben sein, um unbeabsichtigte Zellschäden zu verhindern“, erklärt G. Goya. „Um ein realistisches, sicheres Gleichgewicht zwischen chemischer Leistungsfähigkeit und Biokompatibilität herzustellen, haben wir die Zytotoxizität und Genotoxizität in fortschrittlichen In-vitro-Modellen systematisch bewertet.“ Zur Kartierung dieses Gleichgewichts kombinierten die Forscherinnen und Forscher diese biologischen Tests mit fortschrittlichen Charakterisierungstechniken einschließlich hochauflösender Elektronenmikroskopie, spektroskopischer Analyse und Magnetometrie. Außerdem verfolgten sie einen mehrstufigen Ansatz und bewerteten die Fähigkeit der Partikel, reaktive Sauerstoffspezies zu erzeugen oder zu modulieren – dies auf verschiedenen Komplexitätsebenen, die von grundlegenden katalytischen Assays über den Nachweis freier Radikale bis hin zu Tests in lebenden Zellen reichten.
Ein ganzheitlicher Blick auf Nanopartikel
„Der größte Mehrwert von NESTOR besteht darin, dass das Projekt die physikalische Chemie magnetischer Nanopartikel mit ihren biologischen Auswirkungen verknüpft hat. Wir konnten Nanozyme nicht nur als Katalysatoren betrachten, sondern als Materialien, deren Oberflächen-, magnetische und toxikologische Eigenschaften gemeinsam gestaltet werden müssen“, skizziert der Koordinator. G. Goya erklärt außerdem, dass die Oberfläche eines Nanopartikels als dichte, magnetisch adressierbare Anordnung redoxaktiver Stellen fungiert. Durch die Abstimmung des Eisenoxid-Oberflächenzustands kann das Forschungsteam steuern, wie Elektronen auf reaktive Spezies übertragen werden. „Da diese Nanozyme magnetisch sind, lassen sie sich mithilfe externer Felder aktivieren, lenken, trennen und wiederverwenden. Dies verschafft ihnen einen enormen praktischen Vorteil gegenüber vielen herkömmlichen Katalysatoren im Gesundheitswesen, in der ökologischen Wasseraufbereitung und in der industriellen Biotechnologie“, fügt er hinzu.
Ausweitung der Produktion und Aufbau neuer Partnerschaften
Die nächsten Schritte sind auf die Ausweitung der Materialproduktion, die Standardisierung von Messgrößen für die Nanozymaktivität und die Weiterführung präklinischer Validierungen fokussiert. „Das vielleicht nachhaltigste Vermächtnis von NESTOR ist die partnerschaftliche Zusammenarbeit. Die profunden menschlichen Fähigkeiten und die interdisziplinäre Synergie der Partner halfen bei der Überwindung komplexer administrativer Hürden, und regten gleichzeitig mindestens sieben neue Kooperationsvorhaben an“, lautet das Fazit von G. Goya.
