Nicht nur die Nanopartikel selbst, auch ihre Ladung beeinflusst, wie gesundheitsschädlich sie sind. Das belegt nun ein Experiment mit Gold-Nanopartikeln. Waren sie positiv geladen, drangen sie tief in die äußere Membran von Zellen ein und beschädigten sie, während negativ geladene Teilchen sogar eine Schädigung der Membran verhindern konnten. Die Tatsache, dass Nanopartikel Zellwände so effektiv angreifen, sei bedenklich. Es zeige zudem die möglichen Risiken einer verfrühten Nutzung von Nanopartikeln, bevor ihr Verhalten vollkommen verstanden sei, konstatieren die Forscher.
Die Verwendung von Nanopartikeln – winzige Materialteilchen, eine Million Mal kleiner als ein Sandkorn – in immer mehr kommerziellen Produkten wie Kleidung, Lebensmittelverpackungen, Medikamenten, Kosmetika, Reifen, Elektronik und optischen Geräten führt zu Kontroversen. Da Nanopartikel aufgrund ihrer geringen Größe leicht organische Membranen wie Zellwände durchdringen können, haben sie möglicherweise erhebliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt. Andererseits könnten sich Nanopartikel als Transportvehikel für Krebsmedikamente eignen und so wertvolle Dienste leisten.
Wirkung von geladenen Gold-Nanopartikeln auf Zellmembran untersucht
Ein Nanopartikel ist dabei besonders ins Zentrum der medizinischen Forschung gerückt – Gold. Denn Nanopartikel aus Gold können auf einfache Weise mit anderen Molekülen, wie heutigen Krebsmedikamenten, beladen werden. Sie sind zudem einfach herzustellen, im Körper chemisch stabil und können innerhalb des Körpers sehr einfach aktiviert werden, wenn sie am Zielort angekommen sind. Doch das Ganze hat einen Haken: Denn die Wechselwirkungsmechanismen zwischen Nanopartikeln und der äußeren Verteidigungslinie unserer Zellen – der Zellmembran – sind bisher weitgehend ungeklärt. Ohne dieses Verständnis ist es aber unmöglich festzustellen, wie gefährlich sie sind und ob ihre Fähigkeit, in Zellen einzudringen und sie zu zerstören, jemals genutzt werden kann.
Um dieses Problem anzugehen, hat ein Forschungsteam vom Institut Laue-Langevin (ILL), der Universität Illinois und der australischen Kernforschungsorganisation nun die physikalischen Veränderungen in den Zellwänden auf molekularer Ebene untersucht, die bei Kontakt mit unterschiedlich geladenen Gold-Nanopartikeln auftreten. Dafür wurden an der Oberfläche der zwei Nanometer kleinen Nanopartikel entweder positiv geladene oder negativ geladene Anhänge befestigt. Um eine vereinfachte Zellmembran herzustellen, verwendete das Forscherteam zwei Doppelschichten aus Lipidmolekülen, die mit natürlichen Zellmembranen vergleichbare dynamische Eigenschaften besitzen.
Zerstörung oder Schutz – die Ladung entscheidet
Wie sich zeigte, beeinflusst die Oberflächenladung der Nanopartikel tatsächlich die Wechselwirkung mit der Zellmembran wesentlich. Positiv geladene Nanopartikel durchdringen geradewegs die Lipidmembran, nisten sich tief in der frei schwebenden Doppelschicht ein und destabilisieren die gesamte Membranstruktur derart, dass sie die Zelle bei höheren Konzentrationen völlig zerstören. Im Gegensatz dazu drangen negativ geladene Nanopartikel überhaupt nicht in die Lipidmembran ein. Vielmehr verhinderten sie bei gegebener Konzentration die Membranzersetzung und halfen so dabei, extremen Bedingungen zu widerstehen, z.B. bei erhöhtem pH Wert, der sie normalerweise erheblich destabilisieren würde.
„Die Tatsache, dass diese Nanopartikel die äußeren Schutzschichten der Zellen so effektiv angreifen können, ist einerseits – von einem allgemeinen Gesundheitsgesichtspunkt aus gesehen – bedenklich, aber andererseits auch hoch interessant im Hinblick auf künftige medizinische Einsatzbereiche“, erklärt Rob Barker vom ILL. Es sei daher von zentraler Bedeutung zu verstehen, wie diese Wechselwirkungen ablaufen. Bevor dies nicht geklärt ist, bestehen nach Ansicht der Forscher erhebliche Risiken.
„Unsere Forschungsergebnisse zeigen die möglichen Risiken verfrühter Nutzung von Nanopartikeln in Gütern des täglichen Lebens, bevor alle ihre Sicherheitsaspekte definiert und betrachtet sind“, erklärt Sabina Tatur von der Universität Illinois. „Im Hinblick auf eine stetig zunehmende Verwendung von Nanomaterialien in alltäglichen Endverbraucherprodukten hoffen wir, das Bewusstsein für die wachsende Bedeutung der systematischen Erforschung der Nanosicherheit zu erhöhen. Nanomaterialien sind tatsächlich vielversprechende Kandidaten für zahllose faszinierende Anwendungen – aber nur, wenn sie sich als unschädlich für Gesundheit und Umwelt erweisen.“
(Institut Laue-Langevin, 18.06.2013 – NPO)
