Kurzfassung
Die Verwendung von Nanomaterialien in der Medizin hat in den letzten Jahren erheblich
zugenommen, insbesondere aufgrund ihrer einzigartigen physikalischen und chemischen
Eigenschaften. Ihre Fähigkeit, verschiedene biologische Moleküle wie Proteine, DNA oder
Medikamente zu binden, eröffnet daher ein breites Spektrum an Möglichkeiten in Therapie und
Diagnostik. Eine der größten Herausforderungen bei der Anwendung von Nanopartikeln (NPs)
ist die Bildung der sogenannten Proteinkorona. Sobald NPs in biologische Medien eingebracht
werden, lagern sich verschiedene Biomoleküle an deren Oberfläche an. Diese biologische Hülle
beeinflusst die Wechselwirkungen der Nanopartikel mit Zellen und Geweben und bestimmt
somit ihre biologische Verteilung, die Zellaufnahme und letztlich ihre Effizienz und Sicherheit.
Die Integrität der Proteinkorona kann durch verschiedene Prozesse beeinflusst werden, und ein
tieferes Verständnis dieser Veränderungen ist entscheidend für die Entwicklung sicherer und
wirksamer nanomedizinischer Anwendungen.
Darüber hinaus stellt sich die Frage, wie die verschiedenen Schichten des Hybridkonstrukts -
Nanopartikel, Liganden, Proteine - innerhalb dieser komplexen Umgebungen unterschieden
und analysiert werden können. Mit herkömmlichen Techniken ist es oft schwierig, diese
vielschichtigen Strukturen, die in vivo auftreten, aufzulösen.
Diese Dissertation zielt darauf ab, diese Wissenslücken zu schließen und die Forschung in
diesen Bereichen voranzutreiben. Im Einzelnen konzentriert sich die Arbeit auf drei Projekte:
Im ersten Teil wird die Integrität einer markierten, vorgeformten Proteinkorona um
Goldnanopartikel innerhalb von Zellen mittels Röntgenfluoreszenzbildgebung untersucht.
Diese Studie gibt Aufschluss über den zeitabhängigen Zerfall in der intrazellulären Umgebung.
Der zweite Teil befasst sich mit der Charakterisierung von Goldnanopartikeln, markierten
Liganden und markierten Proteinen mittels anomaler Kleinwinkel-Röntgenstreuung. Der Proof
of Concept zeigt, dass die Methode in der Lage ist, zwischen den drei verschiedenen
Komponenten zu unterscheiden und somit eine detailliertere Analyse des Hybridsystems zu
ermöglichen.
Neben Nanopartikeln werden auch biologisch abbaubare Polyelektrolytkapseln als
vielversprechende Träger für die Verabreichung von Arzneimitteln erforscht. Diese Träger
können so gestaltet werden, dass sie die Bioverfügbarkeit von hydrophoben Arzneimitteln
verbessern und kontrollierte oder ausgelöste Freisetzungseigenschaften bieten. Das Verständnis
des Verhaltens dieser Träger in Zellen ist entscheidend für die Optimierung ihres Designs und
ihrer Wirksamkeit. Das dritte Projekt untersucht, wie die Röntgenfluoreszenz-Bildgebung genutzt werden kann, um die intrazelluläre Verteilung eines durch biologisch abbaubare
Mikroträger verabreichten Medikaments zu verfolgen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der
Freisetzung und Lokalisierung eines auf Selen basierenden Arzneimittels in der zellulären
Umgebung, was wichtige Daten für die Entwicklung wirksamer und sicherer
Arzneimittelabgabesysteme liefert.
The use of nanomaterials in medicine has increased significantly in recent years, particularly due to their unique physical and chemical properties. Their ability to bind various biological molecules, such as proteins, DNA or drugs opens therefore a wide range of possibilities in therapy and diagnostics. One of the biggest challenges in the application of nanoparticles (NPs) is the formation of the so-called protein corona. As soon as NPs are introduced in biological media different biomolecules adsorb to their surface. This biological cover influences the interactions of the nanoparticles with cells and tissues and thus determines their biodistribution, cell uptake and ultimately their efficiency and safety. The integrity of the protein corona can be influenced by various processes; therefore a deeper understanding of these changes is crucial for the development of safe and effective nanomedical applications. Furthermore, the question of how different layers of the hybrid construct 3 nanoparticle, ligands, proteins 3 can be differentiated and analyzed within these complex environments. By using traditional techniques, it is often challenging to resolve these multi-layered structures that occur in vivo. This dissertation aims to address these knowledge gaps and advance research in these areas. Specifically, the work focuses on three projects: In the first part, the integrity of a labeled pre-formed protein corona around gold nanoparticles is probed inside cells using X-ray fluorescence imaging. This study provides insight into the time dependent degradation in the intracellular environment. The second part deals with the characterization of gold nanoparticle, labeled ligands and a labeled protein corona using anomalous small angle X-ray scattering. The proof of concept shows that the method is able to distinguish between the three different parts and thus enable a more detailed analysis of the hybrid system In the next chapter, biodegradable polyelectrolyte capsules are explored as promising carrier in the field of drug delivery. These carriers can be designed to enhance the bioavailability of hydrophobic drugs and offer controlled or triggered release properties. Understanding the behavior of these carriers within cells is crucial for optimizing their design and effectiveness. The third project explores how X-ray fluorescence imaging can be used to track the intracellular distribution of a drug delivered by biodegradable microcarriers. This focuses on the release and localization of a Selenium based drug within the cellular environment, providing important data for the development of effective and safe drug delivery systems.