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Zellisolierung mit Goldnanopartikeln

(21.02.2018) Krebszellen verraten sich durch abnormale Moleküle an ihrer Oberfläche. Mit speziell präparierten Goldnanopartikeln kann man sie detektieren und aus heterogenen Zellpopulationen herausfischen.
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(21.02.2018) Krebszellen exprimieren auf ihrer Oberfläche Isoformen beziehungsweise Varianten des Glykoproteins CD44, das mit hoher Affinität an seinen Liganden Hyaluronsäure (HA) bindet. Krebsforscher versuchen deshalb schon seit einiger Zeit, dieses Paar als diagnostisches Werkzeug auszunutzen. Man kann es aber auch verwenden, um Krebs- oder andere Zellen, die CD44 exprimieren, zu isolieren. Eine interessante und einfach durchzuführende Isolationstechnik, die auf mit HA-bestückten Goldnanopartikeln basiert, entwickelte unlängst eine indische Gruppe.

Molekulare Angelrute

Goldnanopartikel haben zwei Eigenschaften, die sie für ihre Aufgabe als Angelrute geradezu prädestinieren: Zum einen ist durch ihr hohes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis reichlich Platz auf ihrer Oberfläche für Angelhaken. Zum anderen aggregieren Goldpartikel, wenn die auf ihnen haftenden Moleküle mit Liganden interagieren. Da diese Aggregation die spektrometrischen Eigenschaften der Goldnanopartikel-Lösung (Peakshift von 521 zu 559 nm) beeinflusst, ist sie sehr einfach als Farbänderung zu erkennen.

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Für die Befestigung der Hyaluronsäure an den Goldpartikeln nutzten die Forscher PEG400 als Überbrückung. Hierfür erhitzten sie PEG in einer Lösung von Tetrachlorgoldsäure und Natriumcitrat, woraus zunächst PEG-"behaarte" Goldnanopartikel resultierten. Mit einer klassischen Kopplungsreaktion zwischen dem Carbodiimid EDC [(1-Ethyl-3-(-3-)dimethylaminopropyl) Carbodiimid-Hydrochlorid] sowie NHS (N-Hydroxy-Succinimid) versahen die Forscher die Haarenden schließlich mit HA. EDC katalysiert die Bildung von Amidbindungen zwischen Carboxyl- und (primären) Aminogruppen. Die Carboxylgruppe kommt von HA, die Aminogruppe von PEG (dessen Haarspitzen mit NHS zu aktiviertem PEG-NH 2 reagiert haben).

Behaarte Goldkrümelchen

Wichtig ist ein molares Verhältnis zwischen PEG-NH 2 und HA von eins zu eins, denn jedes PEG-Härchen hat Platz für genau ein HA-Molekül. Nanopartikel mit bereits verankertem PEG sind über längere Zeit ohne Kühlung lagerfähig und aggregieren nicht. Dank der stabilisierenden und hydrophilen Eigenschaften von PEG kommt den Goldkrümelchen die Behaarung also sogar zugute.

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Die fertigfrisierten Gold-PEG-HA-Nanopartikel waren nun bereit für die Detektion von Krebszellen. Hierfür inkubierte das Team die Nanopartikel (NPs) mit zwei Zelllinien, deren Oberfläche entweder dünn oder eng mit CD44-Molekülen besiedelt war. Mit bloßem Auge konnten die Forscher erkennen, wie die NPs in Gegenwart CD44-tragender Zellen ihre Farbe von pink zu violett veränderten.

Nachdem die Gruppe die Mischverhältnisse (Zellen zu NPs) optimiert hatte, beobachtete sie für beide Zelllinien konzentrationsabhängige Farbänderungen. Anschließend erstellte sie eine Standardkurve, mit der sie vom Absorptionsverhältnis (A 650nm/A 521nm) auf die Zellzahl (CD44-Konzentration) schließen konnte.

Zielsicheres Fischen

Wie spezifisch und effizient die Nanopartikel sind, demonstrierte die Gruppe mit GFP-markierten Krebszellen. Bei diesen Experimenten fischte die HA-Angel zum Beispiel Brustkrebszellen zielsicher aus gemischten Zellpopulationen heraus.

Die NPs eignen sich aber nicht nur dafür, Krebszellen aufzuspüren und für diagnostische Zwecke zu quantifizieren. Man kann mit ihnen auch Zellen für weitere Tests isolieren. Aus Vitalitätstests mit Trypanblau schloss die Gruppe, dass die geangelten Zellen hierfür ausreichend vital (70 bis 90 Prozent) blieben.

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Die indischen Forscher aus Bangalore isolierten die Zellen mithilfe der differenziellen Zentrifugation, bei der sich die NPs zusammen mit den gebundenen Zellen am Boden absetzten. Anschließend resuspendierten sie die Zellen in Medium und züchteten sie weiter. Morphologische oder phänotypische Veränderungen fanden die Forscher hierbei keine. Ob und unter welchen Bedingungen sich die isolierten Zellen von den Nanopartikeln ablösen, bleibt jedoch unbeantwortet. Dank der hohen Biokompatibilität von Gold wären Überbleibsel aber vermutlich kein Desaster.

Interagierende Top-Kandidaten

Die Carbodiimid-basierte Verankerung ausgewählter Liganden an PEG-behaarten Goldpartikeln könnte auch für die Detektion und Isolierung anderer Rezeptoren (auf Zelloberflächen oder direkt als Rezeptormoleküle) interessant sein. Für Top-Kandidaten (Liganden mit freier Carboxylgruppe) funktioniert das aber nur, solange die Carboxylgruppe selbst an der Interaktion mit dem Rezeptormolekül nicht beteiligt ist.

Andrea Pitzschke



Letzte Änderungen: 21.02.2018

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