Form folgt Funktion
Jülicher Physiker simulieren, wie Zellen Nanoteilchen unterschiedlicher Gestalt aufnehmen.
Die Medizin setzt große Hoffnung in Nanomedikamente, die – gezielt in kranke Zellen eingeschleust – dort Wirkstoffe freisetzen und gesunde Gewebe schonen sollen. Aktuelle Forschungsergebnisse Jülicher Physiker könnten dabei helfen, Stoffe zu identifizieren, die leicht von Zellen aufgenommen werden können. Die Forscher haben herausgefunden, wie die Form von Nanoteilchen die Aufnahme beeinflusst. Die Ergebnisse könnten auch für die Identifizierung möglicherweise zellschädigender Effekte mancher Nanoteilchen dienlich sein.
Abb.: Nanoteilchen können von Zellmembranen in einem mehrstufigen Prozess eingehüllt werden. (Bild: FZ Jülich)
Lebende Zellen sind von einer schützenden Hülle umgeben, der Zellmembran. Sie bildet jedoch keine starre Barriere, sondern ist leicht verformbar, ähnlich wie die Haut einer Seifenblase. Dies ist wichtig, denn eine Zelle ist keine abgeschlossene Einheit, sondern muss Nährstoffe aus ihrer Umgebung aufnehmen und Stoffwechselprodukte ausscheiden können. Dazu kann die Membran sich um große Moleküle und Nanoteilchen wickeln und winzige Bläschen abschnüren, die in die Zellen hinein oder aus ihnen hinaus gelangen.
Diesen Weg möchten sich Mediziner für die Bekämpfung etwa von Krebs zunutze machen und Wirkstoffe so in Form von Nanomedikamenten verpacken, dass sie nur in kranke Zellen eindringen und dort ihre heilsame Wirkung entfalten. Dies würde etwa Nebenwirkungen drastisch reduzieren.
Nanopartikel sind etwa 80.000 Mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Jülicher Physiker zeigten nun mit Hilfe von Computersimulationen, dass die Form der winzigen Teilchen die Aufnahme in Zellen entscheidend beeinflusst.
„Physikalisch streben Teilchen und Membran eine möglichst große Kontaktfläche bei möglichst geringer Verbiegung an", erläutert Thorsten Auth vom Jülicher Institute of Complex Systems. „Nur wenn die Adhäsionsstärke zwischen Teilchen und Membranoberfläche groß genug ist, kann die Biegesteifigkeit der Membran überwunden und das Teilchen von der Membran umhüllt werden. Dies gilt zunächst einmal unabhängig von der genauen Materialzusammensetzung."
Abb.: Diese Grafik zeigt einen Nanowürfel, der tief in die Membran eingebettet ist. (Bild: FZ Jülich)
Mit Hilfe eines Modells, das nur die Größe und Form der Teilchen, die Biegesteifigkeit der Membran sowie die Bindefreudigkeit zwischen Teilchen und Membran berücksichtigt, berechneten die Forscher systematisch, unter welchen Bedingungen Membranen Nanoteilchen einwickeln, unter welchen dies nicht gelingt und wann Membranen die Partikel nur teilweise umhüllen und diese quasi in der Grenzschicht stecken bleiben.
Das Ergebnis: Das Umhüllen der Teilchen durch die Membran kann entweder kontinuierlich oder schrittweise ablaufen. Entscheidend dafür sind das Verhältnis von Länge und Breite der Teilchen und die Weichheit ihrer Rundungen. Konkret: Wenn bei einem runden Teilchen die Adhäsionsstärke die Biegesteifigkeit der Membran übersteigt, wird es in einem kontinuierlichen Prozess komplett eingehüllt, da seine Rundung an jeder Stelle gleich ist.
Ein Würfel dagegen kann schon bei einer sehr geringen Adhäsionsenergie zunächst mit einer Fläche an der Membran anhaften. Mehr Energie ist nötig, damit sich die Membran um die Kanten und die vier Seitenflächen herum anlegt, noch einmal eine stärkere Adhäsionskraft, um schließlich auch die letzten Kanten und die obere Fläche einzuhüllen.
Den Hüllprozess haben die Forscher für verschiedene Formen, von Ellipsen bis Würfeln, mit verschiedenen Seitenverhältnissen und Kantenrundungen untersucht. Systematisch variierten sie dabei das Verhältnis von Länge und Dicke und veränderten die Form der Teilchen Schritt für Schritt von rundlich zu eckig.
„Unsere Untersuchungen bilden eine Basis, um durch eine geeignete Wahl der Materialien Teilchen zum Beispiel so zu designen, dass sie komplett von der Zelle aufgenommen werden, oder auch so, dass sie nur an der Membran haften oder nur zum Teil eingehüllt werden“, erläutert Gerhard Gompper, Direktor am Institute of Complex Systems. „Das birgt Anwendungspotentiale zum Beispiel für Sensormoleküle, die in die Membran eingelagert, aber nicht von der Zelle verschluckt werden sollen, oder für Nanomedikamente, die eine flache Stelle für die anfängliche Bindung, aber keine scharfen Kanten haben sollten, damit sie von der Zelle aufgenommen werden können.“
FZ Jülich / PH
