Nanopartikel können Zellen verändern

Nanopartikel dringen leicht in Zellen ein. Wie sie sich dort verteilen und was sie bewirken, zeigen jetzt erstmals hoch­auf­ge­löste 3D-Mikro­skopie-Aufnahmen an BESSY II. So reichern sich bestimmte Nano­partikel bevorzugt in bestimmten Organellen der Zelle an. Dadurch kann der Energie­umsatz in der Zelle steigen. „Die Zelle sieht aus wie nach einem Marathon­lauf, offen­sicht­lich kostet es Energie, solche Nano­partikel aufzu­nehmen“, sagt James McNally vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie.

Nanopartikel sind heute nicht nur in Kosmetik­produkten, sondern überall: in der Luft, im Wasser, im Boden und in der Nahrung. Weil sie so winzig sind, dringen sie leicht in Zellen unseres Körpers ein. Das ist auch für medi­zi­nische Anwen­dungen interes­sant. Mit Wirk­stoffen beschichtete Nano­partikel könnten gezielt in Zellen einge­schleust werden, zum Beispiel, um Krebs­zellen zu zerstören. Vieles ist jedoch noch kaum erforscht: zum Beispiel, wie sich Nano­partikel in den Zellen verteilen, was sie dort bewirken und wie diese Wirkung von ihrer Größe und Beschichtung abhängt.

Neue Erkenntnisse dazu hat jetzt eine Studie an BESSY II gebracht, wo mit weicher, intensiver Röntgen­strahlung Röntgen­mikro­skopie-Aufnahmen durch­ge­führt werden können. Eine Gruppe um McNally hat Zellen mit unter­schied­lich beschichteten Nano­partikeln ein­gehend mit Röntgen­mikro­skopie unter­sucht. Die Nano­partikel waren exakt gleich groß, aber mit unter­schied­lichen Wirk­stoffen beschichtet.

So erhielten die Forscher erstmals vollständige, drei­dimen­sionale hoch­auf­ge­löste Aufnahmen der Zellen mit den darin enthaltenen Organellen, darunter Lipid­tröpfchen, multi­vesi­kuläre Körper, Mito­chondrien und Endosomen. Die Analyse der Aufnahmen zeigt: Die Nano­partikel reichern sich bevorzugt in Zell­orga­nellen an und verändern dann die Zahl bestimmter Organellen zu Gunsten anderer Organellen. Diese Verände­rungen waren nahezu unab­hängig von der jeweiligen Beschichtung der Nano­partikel. Das lässt vermuten, dass unter­schied­liche Beschich­tungen ähnliche Effekte haben könnten. Ob sich dieser Effekt verall­ge­meinern lässt, müssen weitere Studien mit anderen Arten von Nano­partikeln und insbe­sondere auch anderen Zell­typen zeigen.

 „Die Röntgenmikroskopie erlaubt es, die Zelle als Ganzes zu über­blicken, so dass wir diese Eigenheit erstmals beobachten konnten“, erklärt McNally. Wie sich zeigte, erhöht die Aufnahme von Nano­partikeln die Anzahl von Mito­chondrien und Endosomen, während andere Orga­nellen, nämlich Lipid­tröpfchen und multi­vesi­kuläre Körper abnehmen. „Wenn wir eine Hungerkur machen oder einen Marathon laufen, sehen wir ähnliche Verände­rungen in der Zelle – nämlich eine Zunahme der Mito­chondrien und eine Abnahme der Lipid­tröpfchen“, sagt McNally. „Es kostet die Zelle offenbar Energie, die Nano­partikel auf­zu­nehmen, sie fühlt sich dann wie nach einem Marathon­lauf.“

HZB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  B. Kepsutlu et al.: Cells Undergo Major Changes in the Quantity of Cytoplasmic Organelles after Uptake of Gold Nanoparticles with Biologically Relevant Surface Coatings, ACS Nano, online 17. Januar 2020); DOI: 10.1021/acsnano.9b09264
• Transmission X-ray Microscopy (J. McNally), Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH