Nanopartikel können Zellen verändern / Röntgenaufnahmen an BESSY II zeigen Bilder wie nach einem Marathonlauf

Berlin (ots) - Nanopartikel dringen leicht in Zellen ein. Wie sie sich dort
verteilen und was sie bewirken, zeigen erstmals hochaufgelöste
3D-Mikroskopie-Aufnahmen am Synchrotron BESSY II des Helmholtz-Zentrum Berlin.
Bestimmte Nanopartikel reichern sich bevorzugt in bestimmten Organellen der
Zelle an. Dadurch kann der Energieumsatz in der Zelle steigen. "Die Zelle sieht
aus wie nach einem Marathonlauf, offensichtlich kostet es Energie, solche
Nanopartikel aufzunehmen", sagt Hauptautor James McNally.

Nanopartikel sind heute nicht nur in Kosmetikprodukten, sondern überall: in der
Luft, im Wasser, im Boden und in der Nahrung. Weil sie so winzig sind, dringen
sie leicht in Zellen unseres Körpers ein. Für medizinische Anwendungen ist das
interessant: Mit Wirkstoffen beschichtete Nanopartikel könnten gezielt in Zellen
eingeschleust werden, zum Beispiel, um Krebszellen zu zerstören. Vieles ist
jedoch noch kaum erforscht: zum Beispiel, wie sich Nanopartikel in den Zellen
verteilen, was sie dort bewirken und wie diese Wirkung von ihrer Größe und
Beschichtung abhängt.

Überblick über die gesamte Zelle

Neue Erkenntnisse hat nun eine Studie an der Berliner Synchrotronquelle BESSY II
gebracht, wo Prof. Gerd Schneiders Team mit weicher, intensiver Röntgenstrahlung
Röntgenmikroskopie-Aufnahmen durchführen kann. Eine Gruppe um den
HZB-Biophysiker Dr. James McNally hat Zellen mit unterschiedlich beschichteten
Nanopartikeln eingehend mit Röntgenmikroskopie untersucht. Die Nanopartikel
waren exakt gleich groß, aber mit unterschiedlichen Wirkstoffen beschichtet.
"Die Röntgenmikroskopie bietet deutlich bessere Auflösungen als die
Lichtmikroskopie und einen viel besseren Überblick als die
Elektronenmikroskopie", betont Schneider.

Anreicherung in Organellen

So erhielten sie erstmals vollständige, dreidimensionale hochaufgelöste
Aufnahmen der Zellen mit den darin enthaltenen Organellen, darunter
Lipidtröpfchen, multivesikuläre Körper, Mitochondrien und Endosomen.
Lipidtröpfchen fungieren in der Zelle als Energiespeicher, während Mitochondrien
diese Energie verstoffwechseln. Die Analyse der Aufnahmen zeigt: die
Nanopartikel reichern sich bevorzugt in Zellorganellen an und verändern die Zahl
bestimmter Organellen zu Gunsten anderer Organellen.

Diese Veränderungen wurden nahezu unabhängig von der jeweiligen Beschichtung der
Nanopartikel bebachtet. Dies lässt vermuten, dass unterschiedliche
Beschichtungen ähnliche Effekte haben könnten. Ob sich der Effekt
verallgemeinern lässt, müssen weitere Studien mit anderen Arten von
Nanopartikeln und insbesondere auch anderen Zell-Typen zeigen.

Energiespeicher nehmen ab

"Die Röntgenmikroskopie erlaubt es, die Zelle als Ganzes zu überblicken, so dass
wir diese Eigenheit erstmals beobachten konnten", erklärt McNally. "Dabei fanden
wir, dass mit der Aufnahme von Nanopartikeln die Anzahl an Mitochondrien und
Endosomen steigt, während andere Organellen, nämlich Lipidtröpfchen und
multivesikuläre Körper weniger werden", sagt Burcu Kepsutlu, die für ihre
Promotion die Experimente durchführte.

"Wenn wir eine Hungerkur machen oder einen Marathon laufen, sehen wir ähnliche
Veränderungen in der Zelle - nämlich eine Zunahme der Mitochondrien und eine
Abnahme der Lipidtröpfchen", sagt McNally. "Es kostet die Zelle offenbar
Energie, die Nanopartikel aufzunehmen, sie fühlt sich dann wie nach einem
Marathonlauf."

Die Studie ist erschienen in:

ACS Nano (2020): Cells Undergo Major Changes in the Quantity of Cytoplasmic
Organelles after Uptake of Gold Nanoparticles with Biologically Relevant Surface
Coatings, Burcu Kepsutlu, Virginia Wycisk, Katharina Achazi, Sergey Kapishnikov,
Ana Joaquina Pérez-Berná, Peter Guttmann, Antje Cossmer, Eva Pereiro, Helge
Ewers, Matthias Ballauff, Gerd Schneider, James G. McNally

DOI: 10.1021/acsnano.9b09264

Bilder sowie die vollständige Pressemitteilung finden Sie auf der HZB-Webseite:
https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=21060;sprache=de;seitenid=
1

Pressekontakt:

Dr. Antonia Rötger
Tel.: 030 8062 43733
antonia.roetger@helmholtz-berlin.de

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