Wechselwirkungen von Nanopartikeln mit Zellmembran
Nanopartikel haben die Größenordnung von Molekülen. Durch die kleine Größe, die ihnen ihre einzigartigen und außergewöhnlichen Eigenschaften verleiht, können sie aber auch leicht in Zellen von Organismen eindringen. Realistische Datenmodelle sollen nun während der Entwicklungsphase die Toxizität neuer NP in minimalen Tierversuchen berechnen. Ziel des EU-geförderten Projekts MEMBRANENANOPART (Modelling the mechanisms of nanoparticle-lipid interactions and nanoparticle effects on cell membrane structure and function) waren Modell zur Wechselwirkung zwischen NP und Zellmembran sowie zu deren Eintritt in Zellen und der damit assoziierten Toxizität. Das ultimative Ziel waren die Schaffung von Werkzeugen für die Toxizitätsbewertung sowie die Förderung der Produktion von sicheren Nanomaterialien. Das Hauptforschungsinstrument des Projektteams bildete die Computersimulation der Interaktionsprozesse auf molekularer Ebene. Die Modelle des Projekts umfassten die Beschreibung der Proteinkorona (Proteinadsorptionsschicht), die sich auf der Oberfläche von Nanopartikeln bei ihrem Eintritt in biologische Medien bildet. In Studien zu atomistischer Molekulardynamik konnten atomistische Kraftfelder optimiert werden, um Kontaktbereiche zwischen harter (festen anorganischen Nanopartikeln) und weicher Substanz (biologische Moleküle) zu simulieren. Ein generisches grobkörniges Modell eines Proteinkügelchens gab Aufschluss über die Adsorption der häufigsten Plasmaproteine auf generischen NP-Oberflächen. Diese Modelle beschrieben auch, wie die NP die Zellmembran durchdringen. Das Team untersuchte dann die Translokation von Titanoxid-Nanopartikeln durch Lipid-Mono- und Doppelschichten. Das Team von MEMBRANENANOPART identifizierte die Herausforderungen bei der Modellierung der Biomolekül-NP-Schnittstelle und schlug Lösungen zu deren Überwindung vor. Die neuen Modelle ermöglichten die Beurteilung der Prinzipien der Bildung einer NP-Proteinkorona und ordnete Biomolekülen nach ihrer Bindungsaffinität zu NP ein. Die NP-Eigenschaften wurden durch Beeinflussung ihrer Wechselwirkung mit Plasmaproteinen und Zellmembranen bestimmt. Die groben Simulationsmodelle wurden in detaillierten Simulationen und Experimente validiert. Schließlich entwickelte das Konsortium ein Protokoll für die NP-Toxizitätsbewertung mithilfe diverser biochemischer und molekularbiologischer Indikatoren. Die Ergebnisse von MEMBRANENANOPART werden NP-Entwicklern prädiktive Modelle an die Hand geben, um Zusammenhänge zwischen physikalisch-chemischen und zelltoxischen Eigenschaften von NP vorherzusagen. Der robuste Screening-Ansatz mit minimalem Einsatz von In-vivo-Tests wird sicherstellen, dass nur Nanomaterialien entwickelt werden, die keine Gefahr für Mensch und Umwelt darstellen.
Schlüsselbegriffe
Nanopartikel, Zellmembran, Toxizität, MEMBRANENANOPART, Computersimulation
