Verwendung natürlicher Prozesse, um Wirkstoffe in Zellen zu bringen

Aus Zuck­er- und Eiweißkom­po­nen­ten haben Wis­senschaftler nun Nanocon­tain­er entwick­elt. Diese nutzen natür­liche Prozesse, um Sub­stanzen in Zellen zu trans­portieren, für die die Zellmem­bran son­st undurch­läs­sig ist – beispiel­sweise markierte Sub­stanzen zur Unter­suchung von Zell­funk­tio­nen oder Medika­mente. Die Studie ist in „Advanced Sci­ence“ erschienen.
Mit Nanocon­tain­ern lassen sich Sub­stanzen gezielt in das Innere von Zellen trans­portieren, wo sie dann ihre Wirkung ent­fal­ten kön­nen. Diese Meth­ode kommt beispiel­sweise bei den aktuell ver­wen­de­ten mRNA-Impf­stof­fen gegen Covid-19 und bes­timmten Kreb­smedika­menten zum Ein­satz. In der Forschung kön­nen solche Wirk­stoff­trans­porter zudem dazu dienen, markierte Sub­stanzen in Zellen einzuschleusen und damit grundle­gende zel­luläre Funk­tio­nen zu unter­suchen. Um ihr Poten­zial nutzen zu kön­nen, wird inten­siv daran geforscht, wie Nanocon­tain­er mit biol­o­gis­chen Umge­bun­gen inter­agieren und wie sie chemisch so aufge­baut wer­den kön­nen, dass sie Sub­stanzen möglichst scho­nend und kon­trol­liert in die Zellen bringen.
Wis­senschaftler der West­fälis­chen Wil­helms-Uni­ver­sität Mün­ster (WWU) haben jet­zt eine neue Art von Nanocon­tain­ern entwick­elt, die voll­ständig aus biol­o­gis­chen Bestandteilen aufge­baut sind. Anders als andere Wirk­stoff­trans­porter basieren sie nicht auf Lipi­den, also Fet­ten, son­dern auf Zuck­erverbindun­gen und wer­den von ein­er in ihrer Dicke genau abges­timmten Schicht aus Eiweißstruk­turen – soge­nan­nten Polypep­ti­den – abgedichtet.

„Wir stellen die Kom­po­nen­ten unser­er Nanocon­tain­er zwar syn­thetisch her, sie wer­den aber genau wie natür­lich vork­om­mende Stoffe von Zellen aufgenom­men und – auf­grund der von uns entwick­el­ten Gesamt­struk­tur – auch abgebaut.“
— Chemik­er Prof. Dr. Bart Jan Ravoo

„Für den Abbau der Con­tain­er­hülle im Inneren der Zelle nutzen wir gle­ich zwei natür­liche Mech­a­nis­men aus – dadurch wer­den die trans­portierten Stoffe zügig freige­set­zt, sobald sie in der Zelle angekom­men sind“, ergänzt der Bio­chemik­er Prof. Dr. Volk­er Gerke.
Die Wis­senschaftler wollen die winzi­gen Nanocon­tain­er mit einem Durchmess­er von etwa 150 Nanome­tern nutzen, um markierte biol­o­gisch rel­e­vante Lipi­de in Zellen einzubrin­gen und damit Trans­port­prozesse in der Zellmem­bran zu unter­suchen. Darüber hin­aus möcht­en sie das chemis­che Design der Con­tain­er weit­er­en­twick­eln, damit diese beispiel­sweise nur von bes­timmten Zel­larten aufgenom­men wer­den oder um das Freiset­zen der Ladung von außen durch Licht steuern zu kön­nen. Per­spek­tivisch kön­nten sich aus Zuck­er- und Eiweißkom­po­nen­ten aufge­baute Trans­port­sys­teme auch für Anwen­dun­gen in leben­den Organ­is­men eignen, um Medika­mente gezielt an die Orte zu brin­gen, an denen sie gebraucht wer­den. Die Studie ist in der Fachzeitschrift „Advanced Sci­ence“ erschienen.

Bioinspirierte Materialien organisieren sich zu beladenen Containern

Um die neuen Wirk­stoff­trans­porter herzustellen, ver­wen­de­ten die Wis­senschaftler Zuck­erverbindun­gen (mod­i­fizierte Cyclodex­trine), die in ihrer Struk­tur – und dadurch auch in ihrem Ver­hal­ten – Lipi­den ähneln, die natür­licher­weise in jed­er Zelle vorkom­men. Wie die schützen­den Zellmem­bran­lipi­de ord­nen sich die Zuck­er­struk­turen von selb­st so an, dass sie eine Hülle for­men, in die sie die zu trans­portieren­den Sub­stanzen ein­schließen. Da der entste­hende Con­tain­er allerd­ings noch undicht ist und seine Ladung mit der Zeit ver­lieren würde, fügten die Wis­senschaftler Eiweißstruk­turen (Polypep­tide) hinzu, die eine Schutzschicht um den Con­tain­er bilden. „Um zu testen, wie dick die Schutzschicht sein muss, haben wir die Länge der Pep­tid­se­quen­zen vari­iert und sie so zugeschnit­ten, dass die Con­tain­er ihre Fracht sta­bil einkapseln“, erk­lärt Shara­fud­heen Pot­tanam Chali, Chemiedok­torand und ein­er der bei­den Erstau­toren der Studie.

Nanocontainer nutzen einen natürlichen Weg in die Zellen

Im näch­sten Schritt unter­sucht­en die Wis­senschaftler, ob und wie die neu entwick­el­ten Nanocon­tain­er von Zellen aufgenom­men wer­den. Ihre Hypothese war, dass dies über die soge­nan­nte Endozy­tose geschieht. Dabei stülpen die Zellen einen Teil ihrer Zellmem­bran nach innen und schnüren ihn ab, so dass kleine Bläschen entste­hen – die Endo­somen – in denen das außerzel­luläre Mate­r­i­al in die Zelle trans­portiert wird. Um dies zu über­prüfen, nutzten die Wis­senschaftler eine Zuck­erverbindung (Dex­tran), von der bekan­nt ist, dass sie durch die Endo­somen aufgenom­men wird.
Sie gaben rot flu­o­reszieren­des Dex­tran sowie Nanocon­tain­er, die sie mit ein­er grün flu­o­reszieren­den Ladung (Pyranin) befüll­ten, in eine Zel­lkul­tur. „Am Flu­o­reszenzmikroskop wurde sicht­bar, dass bei­de Stoffe auf gle­iche Art in die Zellen aufgenom­men wur­den und ihre Flu­o­reszenz sich dort über­lagerte – daraus kon­nten wir schließen, dass die Nanocon­tain­er genau wie das Dex­tran von den Zellen effizient durch den endo­so­ma­len Trans­portvor­gang aufgenom­men wur­den“, erk­lärt Sergej Kudruk, Bio­chemiedok­torand und eben­falls Erstau­tor der Studie. Die Wis­senschaftler über­prüften dies für zwei ver­schiedene Zel­larten – men­schliche Blut­ge­fäßzellen und Krebszellen.

Containerhülle wird durch Enzyme in den Endosomen der Zellen abgebaut

Im Inneren der Endo­somen herrschen Bedin­gun­gen, die sich von der Zel­lumge­bung unter­schei­den. Dies hat­ten die Wis­senschaftler bei der Konzep­tion ihrer Nanocon­tain­er bere­its im Blick und baut­en sie so auf, dass das verän­derte Milieu in den Endo­somen die Polypep­tid­hülle desta­bil­isiert und par­tiell abbaut – die Nanocon­tain­er wer­den somit undicht und ent­lassen ihre Ladung in das Innere der Zelle. „Beim Abbau der Con­tain­er­hülle wirken zwei Typen von Enzy­men, von denen wir wussten, dass sie in Endo­somen vorkom­men, und die sich an spez­i­fis­chen Stellen am Abbau der Hülle beteili­gen kön­nen“, erk­lärt Sergej Kudruk.
„Soge­nan­nte Reduk­tasen bauen die Disul­fid­brück­en ab, die vorher aufge­baut wur­den und die Pep­tid­moleküle unseres Nanocon­tain­ers kreuzver­net­zen – zusät­zlich spal­ten Pep­ti­dasen die Pep­tid­moleküle selb­st“, ergänzt Shara­fud­heen Pot­tanam Chali. Die Wis­senschaftler über­prüften die Abbaubarkeit der Con­tain­er­hülle auch außer­halb der Zelle. Dazu belu­den sie die Con­tain­er mit einem flu­o­reszieren­den Farb­stoff und simulierten einen Teil der kom­plex­en endo­so­ma­len Mikroumge­bung, indem sie das Enzym Trypsin sowie Reduk­tion­s­mit­tel ein­set­zten. Nach der Behand­lung trat der Farb­stoff unverkennbar aus.