Sicheres Auge für Sauerstoff
Farbstoffdotierte Nanopartikel zeigen sehr empfindlich die Sauerstoffkonzentration von Zellen und Geweben an
Ohne ihn können wir nicht leben, zuviel schadet uns aber auch: Sauerstoff ist eine kritische Komponente für viele physiologische und pathologische Vorgänge in lebenden Zellen. So steht Sauerstoffmangel im Gewebe etwa im Zusammenhang mit dem Wachstum von Tumoren, Netzhauterkrankungen bei Diabetes und rheumatoider Arthrits. Entsprechend wichtig ist es, den Sauerstoffgehalt in Zellen und Gewebe bestimmen zu können – eine Herausforderung an die Wissenschaft. Ein Team um Jason McNeill von der Clemson University (USA) hat nun eine neue auf fabstoffdotierten Nanopartikeln basierte Methode entwickelt. Wie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichtet, sind damit sehr empfindliche quantitative Sauerstoffbestimmungen möglich.
Nanopartikel-basierende Sauerstoffsensoren bestehen typischerweise aus phosphoreszierenden Farbstoffen, die in einem Polymer- oder Kieselgel-Partikel eingekapselt sind, das die Farbstoffe von der zellulären Umgebung abschirmt. Gleichzeitig verstärken die Nanopartikel das Leuchten des Farbstoffs. Die amerikanischen Forscher haben jetzt eine neue Nanopartikelarchitektur entwickelt. Sie nutzen ein Polymer mit einer speziellen pi-konjugierten Elektronenstruktur. Die Elektronen sind hier über das ganze Molekül quasi frei beweglich. Aus diesem Polymer stellen die Wissenschaftler Nanopartikel her, die sie mit einem Platin-Prophyrin-Komplex, einem Sauerstoff-empfindlichen Phosphoreszenzfarbstoff, dotieren. Bei Bestrahlung fängt das Polymer die Lichtenergie sehr effektiv ein und gibt sie als „Energiepakete“ an den Farbstoff weiter. So entsteht eine 5 bis 10 mal hellere Phosphoreszenz als bei bisherigen Nanopartikel-basierten Sauerstoffsensoren. Im Vergleich zu konventionellen Sauerstoffsensoren ist das Leuchten sogar 1000 mal heller.
Die Partikel reagieren hochempfindlich auf Sauerstoff: In einer stickstoffgesättigten Lösung leuchten die Sensoren zunächst intensiv rot. Wird Sauerstoff eingeleitet, tritt der Farbstoff in Welchselwirkung mit dem Sauerstoff. Dadurch nimmt das Leuchten ab. Je mehr Sauerstoff vorhanden ist, desto stärker wird die Phosphoreszenz gelöscht. Die Forscher konnten dabei nicht nur eine eindeutige Konzentrationsabhängigkeit der Helligkeit feststellen, auch die Phosphoreszenz-Lebensdauer, das heißt wie lange der Farbstoff leuchtet, ist abhängig von der Sauerstoffkonzentration.
Der neue Sensor ist empfindlich genug, dass sich einzelne Partikel detektieren lassen. Da die Partikel zudem gut von Zellen aufgenommen werden, eignet er sich ideal für ein quantitatives Abbilden der lokalen Sauerstoffkonzentrationen in lebenden Zellen und Geweben.
Originalveröffentlichung: Jason McNeill et al.; "Ratiometric Single-Nanoparticle Oxygen Sensors for Biological Imaging"; Angewandte Chemie 2009, 121, No. 15, 2779–2783.
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