Gold-Nanopartikel mit Chitosan

Die Einsatzmöglichkeiten von Gold im Nanomaßstab in der Medizin sind vielfältig. Bereits heute sind Gold-Nanopartikel in der Diagnostik in Schwangerschafts- und HIV-Schnelltests im Einsatz [1]. Geforscht wird an der Anwendung als Kontrastmittel zur Lokalisierung von Krebszellen und als Wirkstofffreisetzungssystem um Medikamente gezielt an ihrem Wirkungsort abzugeben. Die Oberflächeneigenschaften von Gold sind optimal für eine Funktionalisierung, beispielsweise mit Chitosan.

Chitosan Gold-Nanopartikel induzieren den Zelltod in Leukämiezellen in Abhängigkeit von ROS

Chitosan gold nanoparticles induce different ROS-dependent cell death modalities in leukemic cells. Ana Carolina Martínez-Torres, Helen Yarimet, Lorenzo-Anota, Martín Gerardo, García-Juárez, Diana G Zarate-Triviño, Cristina Rodríguez-Padilla, Int J Nanomedicine. 2019; 14: 7173–7190. Published online 2019 Sep 4. doi: 10.2147/IJN.S221021

Nanopartikeln aus Gold wurden bereits zur Behandlung mehrerer Krebsarten untersucht. In dieser Studie aus Mexiko untersuchten Forscher das Potential von mit Chitosan funtionalisierter Gold-Nanopartikeln zur Behandlung von Leukämie. Bei Patienten mit Leukämie sind die weißen Blutkörperchen betroffen, wobei zwischen akuter lymphatischer Leukämie (ALL) und chronischer myeloischer Leukämie (CML) unterschieden wird. Mutationen oder Deletionen in Proteinen, welche beim regulierten Zelltod eine Rolle spielen, verursachen Resistenzen gegen herkömmliche Behandlungsmethoden, wie Chemotherapie. Bei früheren Experimenten konnten die Forscher zeigen, dass Chitosan-beschichtete Gold-Nanopartikel den Zelltod bei HeLa – und MCF-7-Krebszellen induzieren, ohne die mononukleären Zellen des peripheren Blutes, wie Lymphozyten und Monozyten, zu beeinflussen.

In der oben genannten Studie wurde untersucht, ob die Selektivität der Chitosan-beschichteten Gold-Nanopartikel auf die Zelllinie oder die Eigenschaften der Krebszellen zurückzuführen ist. Erforscht wurden außerdem Zelltodmechanismen, die Auswirkungen von Zellkernschäden und die Autophagosomenbildung.

Für die Studie wurden Gold-Nanopartikel mit Chitosan (Mittleres Molekulargewicht, 75–85% Deacetylierungsgrad) beschichtet. Getestet wurden diese an T-akuten lymphatischen Leukämie-Zelllinien (CEM), in einer chronischen myeloischen Leukämie-Zelllinie (K562) und in gesunden Zellen derselben Linie (PBMC und Knochenmark). Untersucht wurden die ROS-Erzeugung (Sauerstoffradikale) und die Entstehung von mitochondrialen und nuklearen Schäden. Geprüft wurde außerdem, ob der Zelltod durch Autophagie, Apoptose oder Nekroptose ausgelöst wurde und welchen Anteil Sauerstoffradikale bei diesem Mechanismus haben.

Ergebnisse

• Chitosan-beschichtete Gold-Nanopartikel
  • wirken toxisch gegenüber Leukämiezellen (dosisabhängig)
  • haben keinen Einfluss auf PBMC und Knochenmarkszellen
  • induzieren Apoptose in CEM und Nekroptose in K562 Zellen (Durch Autophagieprozesse überleben die Zellen)

Schlussfolgerung: Die Studie zeigte, dass Chitosan-beschichtete Gold-Nanopartikeln den Zelltod von Leukämiezellen in vitro auslösen, ohne dabei gesunde Zellen zu beeinträchtigen. Der Mechanismus des Zelltodes ist jedoch abhängig von der Art der Leukämiezelle.

Quelle: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31564872

Gold Nanopartikel mit Chitosan, N-acetyliertes Chitosan und Chitosan Oligosacchariden als DNA-Träger.

Gold nanoparticles with chitosan, N-acylated chitosan, and chitosan oligosaccharide as DNA carriers. Abrica-González, Zamora-Justo, Sotelo-López, Vázquez-Martínez, Balderas-López, Muñoz-Diosdado, Ibáñez-Hernández. Nanoscale Res Lett. 2019 Jul 30; 14(1):258. doi: 10.1186/s11671-019-3083-y

In der zweiten Studie wurden Synthesewege untersucht um Gold-Nanopartikeln mit Chitosan zu funktionalisieren. Ein Einsatzgebiet dieser funktionalisierten Nanopartikel wäre die Gentherapie, bei der Genmaterial zur Behandlung von genetischen Krankheiten direkt in Zellen eingeschleust werden soll. Entwickelt wurden Gold Nanopartikel, die mit Chitosan, acetyliertem Chitosan und Chitosan Oligosacchariden funktionalisiert und mit Plasmid-DNA beladen wurden. Dafür wurden zwei verschiedene Wege der Synthese genutzt. Für die Funktionalisierung mit Chitosan oder acetyliertem Chitosan wurde das toxische Natriumborhydrid als Reduktionsmittel eingesetzt. Chitosan Oligosaccharide wirkt dagegen selbst als Reduktions- und Stabilisationsmittel.
Die Transfektionseffizienz der Plasmid-DNA der hergestellten Nanopartikel wurde in vitro (HEK-293 Zellen) getestet.

Ergebnisse

• die funktionalisierten Nanopartikel zeigten eine gute Stabilität
• die Gold-Nanopartikel mit Chitosan Oligosacchariden konnten ohne den Einsatz toxischer Chemikalien synthetisiert werden („Grüne“ Technologie/one-pot Synthese)
• Erfolgreiche Aufnahme der Plasmid DNA in die Nanopartikel durch Interaktion mit der positiven Ladung der Chitosane
• die Transfektionsraten der funktionalisierten Gold-Nanopartikel mit Plasmid-DNA betrugen 27% (Chitosan), 33% (N-acetyliertes Chitosan) und 60% (Chitosan Oligosaccharid)

Schlussfolgerung: Die Funktionalisierung von Gold-Nanopartikeln mit Chitosan Oligosacchariden ist ohne den Einsatz toxischer Chemikalien möglich. Diese zeigten außerdem die höchste Transfektionseffizienz im Vergleich zu den durch chemische Synthese funktionalisierten Gold Nanopartikeln mit Chitosan und N-acetyliertem Chitosan.

Quelle: https://nanoscalereslett.springeropen.com/articles/10.1186/s11671-019-3083-y

Weitere Quellen:

[1] https://norddeutsche-edelmetall.de/gold-nanopartikel-revolutionieren-die-medizin/