Wie "zelluläre Außenminister" regeln membranständige Proteine die Interaktionen der Zelle mit ihrer Umwelt. Sie besetzen damit wichtige Schlüsselpositionen und sind bei Forschern entsprechend hoch im Kurs. Zumindest in der Theorie, denn in der Praxis sind solche aktiven Membranproteine schwer zu beherrschen. Schließlich verfügen sie häufig über komplexe Strukturen und entfalten ihre biologische Aktivität nur in bestimmten räumlichen Konformationen und Anordnungen.

Am Fraunhofer IGB wurden deshalb biologisch-synthetische Hypridpartikel entwickelt, welche die Gegebenheiten an Zelloberflächen simulieren. Auf der Oberfläche dieser zellmimetischen, d.h. Zellen nachahmenden Nanopartikel werden Membranproteine so gebunden, dass sich ihre biologischen Eigenschaften voll erhalten.

Bild: Silica-Nanopartikel, rasterelektronenmikroskopische Aufnahme.

Die Basis dieser so genannten Nanocytes^® bilden chemisch maßgeschneiderte Nanopartikel, die man wahlweise aus Siliziumoxid und anderen anorganischen Materialien oder aus verschiedenen Polymeren erzeugt. Die Oberfläche der winzigen Teilchen kann anwendungsabhängig modifiziert werden, so dass sich unterschiedliche Biomoleküle an sie koppeln lassen.

Mit den Hypridpartikeln haben die Forscher am Fraunhofer IGB ein variables Baukastensystem erstellt, das sich als qualitativ neues Werkzeug in der zellbiologischen oder immunologischen Forschung und in diagnostischen Systemen einsetzen lässt. Als Bestandteil von Kompositmembranen können die Nanocytes^® zudem in der Medizintechnik Verwendung finden.

Bild: Wirkprinzip der Nanocytes®. Silica-Nanopartikel sind mit einem Cytokin (TNF) funktionalisiert und lösen durch die Bindung an den Rezeptor der Zielzelle die spezifische Zellantwort aus.

Wer an Krebs erkrankt, hat nicht nur unter der Krankheit zu leiden, sondern auch unter Operationen, Chemotherapien und Bestrahlungen mit ihren zum Teil gravierenden Nebenwirkungen. Kein Wunder, dass man intensiv an schonenden Behandlungsalternativen arbeitet. Ein Hoffnungsträger sind die Cytokine der Tumor-Nekrose-Faktoren (TNF). Diese membranständigen Signalproteine lösen bei Tumorzellen den programmierten Zelltod (Apoptose) aus. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Zellbiologie und Immunologie der Universität Stuttgart (Prof. Dr. Klaus Pfizenmaier) wurde bioaktives Cytokin (TNF) an Silica-Partikel gekoppelt. Die so erzeugten Nanocytes^® lösen in kultivierten humanen Zellen suizidale Reaktionen aus, wie man sie sonst nur von membranständig gebundenen Cytokinen kennt.

Die Cytokin-funktionalisierten Nanocytes^® eröffnen damit in der immunologischen und zellbiologischen Forschung wie auch bei der Entwicklung diagnostischer Verfahren völlig neue experimentelle Ansätze. Für eine therapeutische Anwendung müssten die Nanocytes^® zusätzlich zum Cytokin mit einer biologischen Targetfunktion ausgestattet werden. Mit Hilfe dieser Erkennungsfunktion könnten Cytokin-Nanocytes^® dann eines Tages durch den menschlichen Körper reisen, unter abertausenden von Körperzellen Krebszellen identifizieren, sich daran binden und eine gezielte Selbstzerstörung auslösen.

Bild: Nanocytes® (rot markiert) docken an eine Zielzelle (mit grün markierten Proteinen im Zellinneren) an und lösen den programmierten Zelltod aus.
Oben: nach 20 Minuten
Unten: nach 40 Minuten