In the field of nanomedicine, nanomaterials are becoming increasingly important as nanotransporters, e.g. to better formulate active substances, protect them from degradation and transport them in a targeted manner. However, as soon as nanoparticles are exposed to a complex biological environment (e.g. blood), they interact with various biomolecules and bind them as a corona. The protein corona is the key factor that significantly influences both the biological half-life as well as the transport and uptake of nanoparticles in vivo. In order to better understand and eventually predict the behaviour of nanoparticles in vivo, it is essential to decipher the interaction of nanoparticles and proteins.
In this work, the influence of different physicochemical properties (size, surface charge, structure and hydrophobicity) of nanoparticles on the formation of a protein corona was investigated. In terms of future utilization as nanocarriers, the connection between protein corona and cellular uptake was also analysed in more detail. The aim was to identify interaction partners, i.e. docking sites, for corona proteins on the cell membrane and thus possible cellular uptake pathways.
The nanoparticles used in this dissertation were extensively characterised with regard to their physicochemical properties. Subsequently, the protein corona in human serum was determined using various methods such as 2D electrophoresis in combination with MALDI TOF/TOF mass spectrometry. The cellular uptake of the nanoparticles into human THP-1 monocytes was investigated by flow cytometry and fluorescence microscopy. In addition, cellular interaction partners were identified via pull-down experiments.
Within this work it could be shown that all investigated physicochemical properties have an influence on the formation and composition of the protein corona. The most pronounced influence was exerted by the surface charge and the hydrophobicity. Increasing hydrophobicity led to the binding of more proteins. Similarly, a negative charge led to a higher number of bound proteins compared to a positively charged nanoparticle surface.
For the selected particle systems, changes in the composition of the protein corona led to differences in cellular uptake in vitro. Thus, the amount of nanoparticles taken up in human THP-1 monocytes correlated with changes in the composition of the protein corona.
In addition, for the dendritic polyglycerols it was possible to identify potential initial docking sites on human THP-1 monocytes and to obtain indications of a possible uptake mechanism. For example, the identification of serotransferin indicates clathrin-mediated endocytosis.
The results obtained confirm that the protein corona has a significant influence on cellular uptake. Certain proteins (opsonins) can mediate the uptake of nanoparticles by the mononuclear-phagocytic system and thus shorten the biological half-life and systemic circulation time. These results provide an important contribution to the optimised design of future nanocarriers.Im Bereich der Nanomedizin gewinnen Nanomaterialien als Nanotransporter mehr und mehr an Wichtigkeit, z.B. um Wirkstoffe besser zu formulieren, vor Abbau zu schützen und zielgerichtet zu transportieren. Allerdings interagieren Nanopartikel, sobald diese einer komplexen biologischen Umgebung (beispielsweise Blut) ausgesetzt sind, mit diversen Biomolekülen und binden diese als Korona. Die Proteinkorona ist der Schlüsselfaktor, welcher maßgeblich sowohl die biologische Halbwertszeit als auch den Transport und die Aufnahme von Nanopartikeln in vivo beeinflusst. Um das Verhalten von Nanopartikeln in vivo besser zu verstehen und gegebenenfalls auch vorhersagen zu können, ist es von zentraler Bedeutung, die Interaktion von Nanopartikeln und Proteinen zu entschlüsseln.
Im Rahmen dieser Arbeit untersuchte ich den Einfluss verschiedener physiko-chemischer Eigenschaften (Größe, Oberflächenladung, Struktur und Hydrophobizität) von Nanopartikeln auf die Bildung einer Proteinkorona. In Hinblick auf die spätere Anwendung als Nanocarrier wurde zudem der Zusammenhang zwischen Proteinkorona und der zellulären Aufnahme genauer analysiert. Dabei sollten Interaktionspartner, d.h. Andockungsstellen, für Koronaproteine an die Zellmembran und damit mögliche zelluläre Aufnahmewege identifiziert werden.
Die von mir verwendeten Nanopartikel wurden betreffend ihrer physiko chemischen Eigenschaften umfangreich charakterisiert. Im Anschluss erfolgte die Bestimmung der Proteinkorona in humanem Serum mittels verschiedener Methoden wie z.B. 2D Gelektrophorese in Kombination mit MALDI TOF/TOF Massenspektrometrie. Die zelluläre Aufnahme der Nanopartikel in humane THP-1 Monozyten untersuchte ich mittels Durchflusszytometrie und Fluoreszenzmikroskopie. Zudem wurden zelluläre Interaktionspartner über Pull Down Versuche identifiziert.
Innerhalb dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass alle untersuchten physiko chemischen Eigenschaften einen Einfluss auf die Bildung und Zusammensetzung der Proteinkorona haben. Den am stärksten ausgeprägten Einfluss hatten die Oberflächenladung sowie die Hydrophobizität. Deren Zunahme resultierte in einer erhöhten Bindung von Proteinen. Ebenso bewirkte eine negative Ladung eine höhere Anzahl an gebundenen Proteinen im Vergleich zu einer positiv geladenen Nanopartikeloberfläche.
Für die ausgewählten Partikelsysteme erzeugten Veränderungen in der Zusammensetzung der Proteinkorona Unterschiede in der zellulären Aufnahme in vitro. So korrelierte die in humane THP-1 Monozyten aufgenommene Menge an Nanopartikeln mit Veränderungen der Zusammensetzung der Proteinkorona.
Zudem gelang es für die dendritischen Polyglycerole potentielle initiale Andockstellen auf humanen THP-1 Monozyten zu identifizieren und Hinweise auf einen möglichen Aufnahmemechanismus zu erhalten. So weist die Identifizierung von Serotransferin beispielsweise auf eine Clathrin-vermittelte Endozytose hin.
Die erzielten Ergebnisse bestätigen den relevanten Einfluss der Proteikorona auf die zelluläre Aufnahme. Bestimmte Proteine (Opsonine) können die Aufnahme der Nanopartikel durch das mononukleär-phagozytäre System vermitteln und so die biologische Halbwertszeit sowie die systemische Zirkulationszeit verkürzen. Diese Resultate liefern einen wichtigen Beitrag zum optimierten Design der zukünftigen Nanocarrier
