Kurzfassung
Heutzutage entwickelt sich die Nanomedizin immer schneller und ist bereits in unserem täglichen Leben präsent. Um die Nanomedizin effizienter zu gestalten, sollten wir im Detail verstehen, was an der Nano-Bio-Grenzfläche passiert. Seit 2007 wird der Begriff Proteinkorona nach der Arbeit von Dawson und Mitarbeitern hervorgehoben. In der Literatur wird häufig auf die Verzögerung bei der klinischen Anwendung der Nanomedizin aufgrund der Wechselwirkungen der Nanopartikel mit der biologischen Umgebung, einschließlich der Bildung der Proteinkorona, hingewiesen. Die Oberfläche der Nanopartikel spielt dabei eine wichtige Rolle hinsichtlich ihrer Wechselwirkungen mit Biomolekülen, weshalb enorme Anstrengungen unternommen wurden, um die Bildung der Proteinkorona durch Modifizierung der Oberfläche der Nanopartikel zu manipulieren oder zu unterdrücken.
Von diesem Punkt aus haben wir unser Forschungsprojekt aufgebaut, indem wir auf die Oberfläche der Nanopartikel - das erste, was man sieht - konzentriert haben, um ihre Protein- und Zellinteraktionen zu untersuchen. In der vorliegenden Arbeit haben wir verschiedene anorganische Nanopartikel synthetisiert und ihre Oberfläche mit verschiedenen geladenen amphiphilen Polymeren modifiziert. Wie berichtet, hat die Oberflächenladung der Nanopartikel einen erheblichen Einfluss auf ihre Proteininteraktionen und folglich auf ihr biologisches Schicksal. Daher konnten wir durch die Verwendung unterschiedlich geladener Polymere bei gleichbleibender Oberflächenchemie - dies wurde durch die Verwendung amphiphiler Polymere zur Modifizierung der Oberfläche der Nanopartikel erreicht - den Einfluss der Oberflächenladung auf die Protein- und Zellinteraktionen der Nanopartikel systematisch vergleichen. Die physikochemische Charakterisierung der beschichteten Nanopartikel wurde mit verschiedenen Techniken untersucht, darunter UV-Vis-Spektroskopie, Photolumineszenz-Spektrophotometer, dynamische Lichtstreuung, Transmissionselektronenmikroskopie und Tropfenformanalyse.
Mit diesen Techniken wurden die optischen Eigenschaften, die physikalische Größe, einschließlich des Kerns und des hydrodynamischen Durchmessers, sowie die Hydrophilie/Hydrophobie der Nanopartikel untersucht. Letzteres wurde untersucht, weil die Hydrophobie der Nanopartikel ihre biologischen Wechselwirkungen beeinflusst. Darüber hinaus haben wir die Bildung der Proteinkorona in situ untersucht, indem wir die winzige Veränderung ihrer Diffusion mit Hilfe der Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie gemessen haben, wodurch wir einen Überblick über die Auswirkungen verschiedener Ladungen auf die Proteinadsorption erhielten. Anschließend wurden die zellulären Wechselwirkungen dieser Nanopartikel untersucht, einschließlich ihrer Biokompatibilität und zellulären Aufnahme. Diese Arbeit führt einen universellen Ansatz für die Oberflächenmodifikation von Nanopartikeln ein und zeigt, dass bei gleichem Hydrophiliegrad die Protein- und Zellinteraktionen der Nanopartikel hauptsächlich durch elektrostatische Wechselwirkungen bestimmt werden.
Nowadays, nanomedicine is evolving faster and is already present in our daily life. Toward more efficient nanomedicine, we should understand in detail what happens at the nano-bio interface. Since 2007, the term protein corona is highlighted after the work of Dawson and co-workers, frequently in the literature, they refer to the delay in the clinical applications of the nanomedicine due to the interactions of the nanoparticles with the biological environment, including the formation of the protein corona. The surface of the nanoparticles plays a major role here regarding their interactions with biomolecules, that’s why tremendous efforts were invested on how to manipulate or suppress the formation of protein corona by modifying the surface of the nanoparticles. Starting from this point, we have established our research project by focusing on the surface of the nanoparticles – the first thing seen by cells and proteins – to study their protein and cellular interactions. In the present work, we have synthesized different inorganic nanoparticles and modify their surface using different charged amphiphilic polymers. As reported the surface charge of the nanoparticles has a significant impact on their protein interactions, and consequently their biological fate. Therefore, by using different charged polymers, while almost keeping the same surface chemistry; this has been achieved via using amphiphilic polymers to modify the surface of the nanoparticles, we were able to systematically compare the influence of the surface charge on the protein and cellular interactions of the nanoparticles. The physicochemical characterization of the coated nanoparticles has been studied using different techniques including, UV-Vis spectroscopy, photoluminescence spectrophotometer, dynamic light scattering, transmission electron microscopy, and drop shape analyzer. Such techniques have been used to study the optical properties, the physical size including the core and the hydrodynamic diameter, and the hydrophilicity/hydrophobicity of the nanoparticles. The latter has been studied based on the fact that the hydrophobicity of the nanoparticles affects their biological interactions. Moreover, we have studied the in situ formation of the protein corona via measuring the minute change in their diffusion by fluorescence correlation spectroscopy, where we have achieved an overview of the effect of different charges on the protein adsorption. This was followed by studying the cellular interactions of these nanoparticles including, their biocompatibility and cellular uptake. This work introduces a universal approach for the surface modification of the nanoparticles and shows at the same hydrophilicity degree, the protein and cellular interactions of the nanoparticles are governed mainly by the electrostatic interactions.