Autor: Viktor Maurer

Im Bereich der Biomedizin werden Nanopartikel in Form von Kontrastmitteln oder Wirkstoffträgersystemen bereits routinemäßig eingesetzt. Durch ihre größenbasierten Eigenschaften können die Partikel im Zielgewebe systematisch akkumulieren (z.B. nach magnetischer Zielführung) und dort sensitive Diagnoseverfahren oder auch effiziente Therapiekaskaden realisieren. Insbesondere eine Kombination von anorganischen Nanopartikeln (bspw. superparamagnetische Eisenoxidnanopartikel, FexOyNP) mit organischen Molekülen und Strukturen (Wirkstoffe, Antikörper etc.) bietet die Möglichkeit zur Entwicklung innovativer nanopartikulärer Hybridsysteme mit multifunktionellen Eigenschaften. In der vorliegenden Dissertation wurden neue Ansätze zur Herstellung und biomedizinischen Anwendung von insgesamt vier verschiedenartigen organisch-anorganischen Nanohybridpartikeln etabliert. Hierfür wurden zunächst Indiumphosphid/Zinksulfid-Quantenpunkte (InP/ZnS-QDs) sowie FexOyNP und Goldnanopartikel (AuNP) mittels nasschemischer Verfahren erzeugt. Die Herstellung des ersten Hybridpartikelsystems erfolgte über eine selektive Ankopplung von FexOy- und AuNP an einen Alzheimer-Biomarker. Neben einer sensitiven ex vivo Biomarkerdetektion mittels oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie (SERS) wurde ein detailliertes Prozessverständnis durch umfassende Untersuchung der Synthese- und Funktionalisierungsschritte anhand unterschiedlicher Analysemethoden erreicht. Drei weitere Nanohybride wurden durch gleichzeitige Einkapselung von superparamagnetischen FexOyNP mit jeweils einer weiteren Komponente (therapeutische RNA, fluoreszierende InP/ZnS-QDs oder plasmonische AuNP) in organische Nanovesikel (Niosome) hergestellt und für eine in vitro Anwendung zu verschiedenen Krebszelllinien appliziert. Das RNA-beladene superparamagnetische Hybridnanopartikel konnte durch erhöhte zelluläre Internalisierung mittels magnetischer Zielführung eine effiziente RNA-gestützte Chemotherapie ermöglichen. Durch Einkapselung der InP/ZnS-QDs und FexOyNP konnte ein weiterer Nanohybrid als Fluorophor sowie auch als Kontrastmittel eingesetzt werden. Das vierte Hybridnanopartikel erlaubte nach postsynthetischer magnetischer Aufreinigung eine sensitive SERS-basierte Diagnostik. Als Applikationsplattform bewirkten die Niosome ein verbessertes Anwendungspotential durch den Schutz der eingeschlossenen Komponenten vor einem Funktionalitätsverlust infolge unterschiedlicher in vitro Einflüsse (z.B. Azidität). In ergänzenden Untersuchungen wurde zur ressourceneffizienten Herstellung eines niosomalen Wirkstoffträgersystems eine Syntheseroute mittels einer kommerziellen mikrofluidischen Apparatur entwickelt. Bei den unterschiedlichen nanopartikulären Formulierungen wurden wesentliche physikalische, chemische und biologische Zusammenhänge zwischen den eingesetzten Substanzen, der Prozesskette und dem resultierenden Partikelsystem analysiert. Folglich wurden grundsätzliche Herstellungs- und Anwendungsstrategien für nanopartikuläre Hybridsysteme abgeleitet und diskutiert.

Im Bereich der Biomedizin werden Nanopartikel in Form von Kontrastmitteln oder Wirkstoffträgersystemen bereits routinemäßig eingesetzt. Durch ihre größenbasierten Eigenschaften können die Partikel im Zielgewebe systematisch akkumulieren (z.B. nach magnetischer Zielführung) und dort sensitive Diagnoseverfahren oder auch effiziente Therapiekaskaden realisieren. Insbesondere eine Kombination von anorganischen Nanopartikeln (bspw. superparamagnetische Eisenoxidnanopartikel, FexOyNP) mit organischen Molekülen und Strukturen (Wirkstoffe, Antikörper etc.) bietet die Möglichkeit zur Entwicklung innovativer nanopartikulärer Hybridsysteme mit multifunktionellen Eigenschaften. In der vorliegenden Dissertation wurden neue Ansätze zur Herstellung und biomedizinischen Anwendung von insgesamt vier verschiedenartigen organisch-anorganischen Nanohybridpartikeln etabliert. Hierfür wurden zunächst Indiumphosphid/Zinksulfid-Quantenpunkte (InP/ZnS-QDs) sowie FexOyNP und Goldnanopartikel (AuNP) mittels nasschemischer Verfahren erzeugt. Die Herstellung des ersten Hybridpartikelsystems erfolgte über eine selektive Ankopplung von FexOy- und AuNP an einen Alzheimer-Biomarker. Neben einer sensitiven ex vivo Biomarkerdetektion mittels oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie (SERS) wurde ein detailliertes Prozessverständnis durch umfassende Untersuchung der Synthese- und Funktionalisierungsschritte anhand unterschiedlicher Analysemethoden erreicht. Drei weitere Nanohybride wurden durch gleichzeitige Einkapselung von superparamagnetischen FexOyNP mit jeweils einer weiteren Komponente (therapeutische RNA, fluoreszierende InP/ZnS-QDs oder plasmonische AuNP) in organische Nanovesikel (Niosome) hergestellt und für eine in vitro Anwendung zu verschiedenen Krebszelllinien appliziert. Das RNA-beladene superparamagnetische Hybridnanopartikel konnte durch erhöhte zelluläre Internalisierung mittels magnetischer Zielführung eine effiziente RNA-gestützte Chemotherapie ermöglichen. Durch Einkapselung der InP/ZnS-QDs und FexOyNP konnte ein weiterer Nanohybrid als Fluorophor sowie auch als Kontrastmittel eingesetzt werden. Das vierte Hybridnanopartikel erlaubte nach postsynthetischer magnetischer Aufreinigung eine sensitive SERS-basierte Diagnostik. Als Applikationsplattform bewirkten die Niosome ein verbessertes Anwendungspotential durch den Schutz der eingeschlossenen Komponenten vor einem Funktionalitätsverlust infolge unterschiedlicher in vitro Einflüsse (z.B. Azidität). In ergänzenden Untersuchungen wurde zur ressourceneffizienten Herstellung eines niosomalen Wirkstoffträgersystems eine Syntheseroute mittels einer kommerziellen mikrofluidischen Apparatur entwickelt. Bei den unterschiedlichen nanopartikulären Formulierungen wurden wesentliche physikalische, chemische und biologische Zusammenhänge zwischen den eingesetzten Substanzen, der Prozesskette und dem resultierenden Partikelsystem analysiert. Folglich wurden grundsätzliche Herstellungs- und Anwendungsstrategien für nanopartikuläre Hybridsysteme abgeleitet und diskutiert.