Surface functionalization of nanoparticles for the directed interaction with biomolecules

Die Nanotechnologie hat in den letzten Jahren deutlich an Interesse gewonnen. Obwohl sie noch am Anfang ihrer Entwicklung steht, zeigen erste erfolgreiche Anwendungen [13] ihr großes Potenzial. Das Interesse an Nanomaterialien in den verschiedensten Bereichen beruht auf den einzigartigen optischen, elektronischen und katalytischen Eigenschaften, welche durch eine Nanostrukturierung erzielt werden können [102]. Das große Oberfläche-zu- Volumen-Verhältnis macht Nanomaterialien auch zu idealen Templaten für die Präsentation funktioneller Gruppen. In der vorliegenden Arbeit wurden NP unterschiedlicher Größe mit schmalen Größenverteilungen für zwei unterschiedliche Anwendungsbereiche synthetisiert und funktionalisiert. Beruhend auf elektrostatischen Wechselwirkungen wurde im ersten Teil der vorliegenden Arbeit eine Peptid-induzierte Aggregation von NP vorgestellt. Die Aggregation wurde dabei durch Zugabe verschiedener Peptide, welche eine coiled-coil-Struktur aufwiesen, induziert, die Struktur der sich bildenden Aggregate mit verschiedenen Methoden untersucht und durch Variation verschiedener Parameter die Möglichkeiten zum Aufbau geordneter Architekturen aus diesen Aggregaten analysiert. Die Verwendung von Peptiden als strukturinduzierendem Baustein zur Erzeugung schaltbarer mehrdimensionaler NP- Architekturen hat sich dabei als erfolgreich erwiesen. Die Schaltbarkeit dieses Materials wurde durch eine pH-Abhängigkeit der coiled-coil-Struktur des Peptids erzielt. Mittels pH-Titration konnte außerdem gezeigt werden, dass es sich bei dem Bildungs- und Auflösungsprozess der NP-Aggregate um einen reversiblen Prozess handelt. Die Notwendigkeit der coiled-coil Struktur des Peptids für die Ausbildung der Aggregate wurde durch Versuche mit einem ungefalteten Peptid gleicher Aminosäurenzusammensetzung, aber veränderter Sequenz, nachgewiesen. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die Verwendung unterschiedlich funktionalisierter Au-NP als Selektin-Inhibitoren vorgestellt. Die multivalente Präsentation Selektin-bindender Strukturen auf den NP führte zu einer deutlichen Verbesserung der Bindungseigenschaften im Vergleich zu den entsprechenden monovalenten Molekülen. Durch Trägerung auf den NP konnte eine Bindungsverstärkung um den Faktor 106 erzielt werden. Selbst die Trägerung nicht bindender Substanzen führte zu NP mit starken inhibitorischen Eigenschaften. Eine Sulfatierung der NP wirkte sich nicht nur positiv auf die Löslichkeit der NP in wässrigem Medium, sondern auch auf die Bindungseigenschaften an L- und P-Selektin aus. Mit geeignet funktionalisierten Au-NP wurden IC50-Werte für L- und P-Selektin im pikomolaren Bereich erzielt. Als entscheidend für eine starke Selektin-NP- Bindung hat sich dabei nicht nur eine polyanionische Struktur der Ligandenhülle, sondern auch die Ausrichtung der negativen Ladungen auf der NP- Oberfläche erwiesen. Obwohl auch mit einfachen Strukturen wie beispielsweise sulfatiertem Serinol beeindruckende IC50-Werte erzielt wurden, bleibt die Immobilisierung komplexerer Strukturen wie Kohlenhydratmimetika sehr interessant, denn mit diesen NP ließ sich eine Selektivität des Bindungsverhaltens zwischen L- und P-Selektin realisieren. Die funktionalisierten NP wiesen keine Zelltoxizität auf und sind somit für die Anwendung in vivo geeignet. In weiteren Tests muss nun das Verhalten der Partikel in vivo untersucht werden.The interest in nanotechnology has significantly increased in recent years. Although still at the beginning of its development first successful results [13] indicate the big potential of this research area. The interest in nanomaterials results from the unique optical, electronic and catalytic properties, which can be achieved by nanostructuring [102]. Due to their remarkably big surface-to-volume ratio nanomaterials are well suited as templates for the presentation of functional groups. In this work nanoparticles of different sizes with small size distributions have been synthesized and functionalized for two types of applications. In the first part of this work the peptide-induced aggregation of nanoparticles based on electrostatic interactions was presented. The aggregation was induced by addition of different coiled-coil-structured peptides. The structure of the forming aggregates was investigated by different methods. The possibilities for building regular structures of this material were analyzed by variation of several parameters. The use of peptides as structure-imposing building blocks for the creation of switchable multidimensional nanoparticle architectures was successful. The switchability of this material was achieved by the pH- dependency of the peptides coiled-coil-structure. Furthermore, the reversibility of the formation and disaggregation process was shown by pH- titration. The necessity of the peptide’s coiled-coil-structure for the formation of aggregates was demonstrated by experiments with an unfolded peptide composed of the same amino acids but in different sequence. In the second part of this work the application of different functionalized gold nanoparticles for the inhibition of selectins was presented. The multivalent presentation of selectin-binding structures on the surface of nanoparticles led to highly improved binding properties compared to the monovalent structures. An amplification of binding by a factor of 106 was achieved by immobilization on gold nanoparticles. Even the immobilization of non-binding structures led to particles with strong inhibitory effects. Sulphation of the particles improved not only the solubility in aqueous media, but also the binding properties to L- and P-selectin. IC50 values in the picomolar range were thus achieved. The polyanionic structure of the ligand shell in combination with the arrangement of the negative charges on the particle surface were decisive for a strong selectin-nanoparticle-binding. Although as simple structures as sulphated serinol also yielded impressive IC50 values the immobilization of more complex structures like carbohydrate mimetics remains interesting because with these structures a selectivity of the binding properties to L- and P-selectin can be realized. The functionalized particles showed no cell toxicity and thereby proved their applicability in vivo. Further tests are necessary to investigate the behaviour of the particles in vivo