Sanfte Röntgenmethode verspricht Durchbruch bei Nanocarriern

Bevor das enorme Potenzial winziger Nanocarrier für die gezielte Verabreichung von Medikamenten und die Sanierung der Umwelt genutzt werden kann, müssen Wissenschaftler sie erst einmal sehen können

27.05.2021 - USA

Derzeit sind Forscher darauf angewiesen, Teile der organischen Nanocarrier-Strukturen mit fluoreszierenden Farbstoffen oder Schwermetallen zu markieren, um sie zu untersuchen, und sie dabei oft zu verändern. Eine neue Technik, die chemisch empfindliche "weiche" Röntgenstrahlen verwendet, bietet eine einfachere, nicht-disruptive Möglichkeit, Einblick in diese Nanowelt zu erhalten.

In einer in Nature Communications veröffentlichten Studie demonstriert ein Forscherteam die Leistungsfähigkeit der Röntgenmethode an einem intelligenten Nanopartikel zur Medikamentenabgabe und einer "Polysoap"-Nanostruktur, die im Meer verschüttetes Rohöl auffangen soll.

"Wir haben eine neue Technik entwickelt, um die innere Struktur, die Chemie und das Umweltverhalten von Nanocarriern ganz ohne Markierung zu untersuchen - eine neue Fähigkeit, die bisher nicht möglich war", sagt Brian Collins, Physiker an der Washington State University und korrespondierender Autor der Studie. "Derzeit benötigt man fluoreszierende Markierungen, um in das Innere von Nanoträgern zu sehen, aber das kann ihre Struktur und ihr Verhalten verändern, besonders wenn sie aus kohlenstoffbasierten Materialien bestehen. Mit dieser neuen Technik konnten wir in das Innere dieser Nanocarrier schauen, ihre chemische Identität und Konzentration analysieren - und das alles in ihrem völlig natürlichen Zustand, einschließlich ihrer Wasserumgebung."

Organische Nanocarrier, die für die Verabreichung von Medikamenten verwendet werden, bestehen oft aus kohlenstoffbasierten Molekülen, die Wasser entweder lieben oder verabscheuen. Diese so genannten hydrophilen und hydrophoben Moleküle sind aneinander gebunden und werden sich in Wasser selbst anordnen, wobei sich der wasserhassende Teil in einer Hülle der wasserliebenden Segmente versteckt.

Hydrophobe Medikamente werden sich ebenfalls in die Struktur einfügen, die so konzipiert ist, dass sie sich nur in der kranken Umgebung öffnet und das Medikament freisetzt. So hat die Nanocarrier-Technologie das Potenzial, eine Chemotherapie zu ermöglichen, die nur Krebszellen abtötet, ohne den Patienten krank zu machen, was eine effektivere Dosierung ermöglicht.

Während Nanocarrier auf diese Weise hergestellt werden können, können Forscher die Details ihrer Strukturen oder sogar die Menge des Wirkstoffs, die im Inneren verbleibt oder austritt, nicht leicht erkennen. Die Verwendung von fluoreszierenden Markierungen kann Teile der Nanoträger hervorheben - sie sogar zum Glitzern bringen - aber sie verändern die Träger dabei auch, manchmal erheblich.

Die Technik, die Collins und seine Kollegen entwickelt haben, nutzt stattdessen weiche, resonante Röntgenstrahlen, um die Nanoträger zu analysieren. Weiche Röntgenstrahlen sind eine spezielle Art von Licht, das zwischen ultraviolettem Licht und harten Röntgenstrahlen liegt, die von Ärzten verwendet werden, um einen gebrochenen Knochen zu betrachten. Diese speziellen Röntgenstrahlen werden von fast allem absorbiert, auch von der Luft, so dass die neue Technik eine Hochvakuumumgebung erfordert.

Collins' Team hat eine weiche Röntgenmethode zur Untersuchung von druckbarer, kohlenstoffbasierter Kunststoffelektronik so angepasst, dass sie auch bei diesen wasserbasierten organischen Nanoträgern funktioniert - und dazu eine dünne Scheibe Wasser durchdringt.

Jede chemische Bindung absorbiert eine andere Wellenlänge oder Farbe der weichen Röntgenstrahlen, so dass die Forscher für diese Studie Röntgenfarben auswählten, um verschiedene Teile eines Nanoträgers für intelligente Medizin durch ihre einzigartigen Bindungen zu beleuchten.

"Wir haben die Röntgenfarbe im Wesentlichen so abgestimmt, dass wir zwischen den bereits im Molekül vorhandenen Bindungen unterscheiden können", sagt Collins.

Auf diese Weise konnten sie beurteilen, wie viel und welche Art von Material sich in seinem inneren Kern befand, die Größe und den Wassergehalt in der umgebenden Nanohülle sowie die Reaktion des Nanocarriers auf eine veränderte Umgebung.

Sie nutzten die weiche Röntgentechnik auch, um einen "Polysoap"-Nanoträger zu untersuchen, der entwickelt wurde, um im Meer ausgelaufenes Rohöl aufzufangen. "Polysoaps" können einen Nanoträger aus einem einzigen Molekül bilden und so ihre Oberfläche für das Auffangen von Kohlenwasserstoffen, wie sie bei einer Ölpest vorkommen, maximieren. Mit der neuen Technik entdeckten die Forscher, dass die offene, schwammartige Struktur einer "Polysoap" von hohen bis zu niedrigen Konzentrationen bestehen bleiben kann, was sie in realen Anwendungen effektiver machen wird.

"Es ist wichtig, dass Forscher all diese Strukturen aus der Nähe untersuchen können, damit sie kostspielige Versuche vermeiden können", so Collins.

Diese Technik sollte es den Forschern ermöglichen, das Verhalten dieser Strukturen in verschiedenen Umgebungen zu beurteilen, so Collins. Bei der intelligenten Verabreichung von Medikamenten beispielsweise können im Körper unterschiedliche Temperaturen, pH-Werte und Reize herrschen, und die Forscher wollen wissen, ob die Nanostrukturen zusammenbleiben, bis die Bedingungen für die Verabreichung des Medikaments gegeben sind. Wenn sie dies früh im Entwicklungsprozess feststellen können, können sie sicherer sein, dass die Nanocarrier funktionieren, bevor sie in zeitintensive medizinische Studien investieren.

"Wir stellen uns vor, dass diese neue Technik ein viel schnelleres Tempo und eine höhere Präzision beim Design und der Entwicklung dieser aufregenden neuen Technologien ermöglichen wird", so Collins.

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Originalveröffentlichung

McAfee, T., Ferron, T., Cordova, I.A. et al.; "Label-free characterization of organic nanocarriers reveals persistent single molecule cores for hydrocarbon sequestration"; Nat Commun; 12, 3123 (2021).

https://www.analytica-world.com/de/news/1171245/sanfte-roentgenmethode-verspricht-durchbruch-bei-nanocarriern.html