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Rationelles Design und biomedizinische Anwendung von multifunktionalen Goldnanopartikel-Biokonjugaten

Gamrad, Lisa LSF

Goldnanopartikel-Biokonjugate stellen ein weit verbreitetes Werkzeug für biologische Anwendungen dar. Jedes biologische System und die damit verbundene Anwendung wie die medizinische Diagnostik, Therapie oder auch die biologische Bildgebung beruhen auf unterschiedlichen Faktoren, welche die experimentellen Rahmenbedingungen festlegen. Auch das Design der zu verwendenden Nanopartikel-Konjugate muss an die Anwendung angepasst werden. Oft sind mehrere Funktionen wie das Eindringen in die Zelle, der gezielte Transport von Funktionsmolekülen oder eine gezielte Nanopartikelansammlung notwendig. Hierbei sind lasergenerierte Goldnanopartikel von Vorteil. Sie haben eine ligandenfreie Oberfläche und potentiell toxische Substanzen, wie sie in der chemischen Synthese eingesetzt werden, können ausgeschlossen werden. Weiterhin begünstigt dies eine hohe Oberflächenbeladung, was insbesondere für multifunktionale Nanopartikel vorteilhaft ist. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von verschiedenen Liganden wie Oligonukleotiden, zellpenetrierenden Peptiden und Liponsäure auf monofunktionalen und multifunktionalen Goldnanopartikeln untersucht. Hierbei konnten optimale Bedingungen zur Herstellung monomodaler, monodisperser Goldnanopartikel, welche als ligandenfreie Plattform für die Biokonjugation dienen, ermittelt werden. Darüber hinaus wurden charakteristische Parameter bezüglich der Stabilität und Oberflächenbeladung der Konjugate analysiert, welche im weiteren Verlauf zum Design spezifischer Konjugate genutzt wurden. Schließlich erfolgte der Einsatz der hergestellten Konjugate, welche als Einzelpartikel oder Agglomerat vorlagen, in biologische Anwendungen mit Rinderspermien, regulatorischen T-Zellen und Krebszellen. Hierbei wurde die Anlagerung und Penetration von Goldnanopartikeln auf und in Spermien erfolgreich gezeigt. Des Weiteren erfolgte das erfolgreiche Einbringen eines Funktionsmoleküls in T-Zellen und die gezielte laserinduzierte Freisetzung von Einzelpartikeln, welche als Agglomerat eingesetzt wurden, in das Zytoplasma von Krebszellen.

Gold nanoparticle bioconjugates are a wide spread tool for biological applications like medical diagnostic, therapy or bioimaging. Biological systems are based on various parameters which influence the experimental conditions. Hence, the design of nanoparticle bioconjugates has to be assessed according to the bioapplication. Aspects like cell penetration, drug delivery or selective nanoparticle accumulation need to be achieved. For this purpose, laser-generated gold nanoparticles are advantageous due to a ligand-free surface and no potentially toxic ligands which are used during chemical synthesis. Additionally, a higher surface coverage can be achieved with these nanoparticles possessing an optimal platform for multifunctional conjugates. In this study, the influence of different ligands like oligonucleotides, cell penetrating peptides or lipoic acid on monofunctional and multifunctional conjugates was investigated. In this context, ideal conditions regarding synthesis of monomodal and monodisperse gold nanoparticles were determined. These particles were meant to be used as a ligand-free platform for bioconjugation. Furthermore, characteristic parameters concerning stability and surface coverage of the conjugates were carried out. Based on these parameters a specific design for gold nanobioconjugates was established. Finally, the conjugates were used as single particles and agglomerates during biological experiments with bovine sperm, murine regulatory T cells and cancer cells. The attachment and penetration of gold nanoparticles on and into sperm was shown to be successful in this study. Additionally, the transport of functional molecules into regulatory T cells was achieved. The targeted release into the cytoplasm of a cancer cell of single nanoparticles which were applied before as agglomerates was aimed as well.

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Gamrad, Lisa: Rationelles Design und biomedizinische Anwendung von multifunktionalen Goldnanopartikel-Biokonjugaten. 2017.

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