Nanotechnologie: Kleine Röhrchen als Bio-Transporter
Sie sehen aus wie winzigste Nadeln und haben das Potenzial, pharmazeutische Wirkstoffe gezielt in lebende Zellen einzuschleusen: Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind lange dünne Röhren im Nanomaßstab, die aus einer oder mehreren Schichten graphitartig angeordneter Kohlenstoffatome bestehen. Pharmaka können chemisch an ihre Außenseite angeknüpft werden und gelangen dann zusammen mit den Nädelchen ins Zellinnere. Aber auf welchem Weg?
Um maßgeschneiderte Nano-Transporter zu entwickeln, die ihre Fracht ordnungsgemäß abliefern, ist es wichtig zu wissen, auf welchem Wege sie die Zellmembran passieren. Moleküle – und damit auch Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die als Vehikel für Medikamente dienen sollen – können auf verschiedene Weise ins Zellinnere gelangen. Beim passiven Transport durchqueren Moleküle die Membran ohne Energieverbrauch. Unter den aktiven Mechanismen kommt im Fall der Nanoröhrchen die Endozytose in Betracht: Teile der Zellmembran schließen die Moleküle ein und befördern sie ins Zellinnere. Dieser Vorgang benötigt Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) und ausreichend hohe Temperaturen.
Hongjie Dai und sein Team von der Universität Standford haben nun die Aufnahmemechanismen für Nanoröhrchen mit unterschiedlicher "Fracht", etwa DNA und Proteine, systematisch unter die Lupe genommen. Sie kühlten Zellkulturen ab, andere Zellkulturen versetzten sie mit einem Hemmstoff, der die ATP-Produktion stoppt. In beiden Fällen waren die Zellen dann nicht mehr in der Lage, zugegebene Nanoröhren aufzunehmen. "Wir schließen auf einen energieabhängigen endozytotischen Mechanismus", erklärt Dai.
Im Fall der Nanoröhrchen schienen den Forschern zwei der möglichen Endozytose-Wege besonders in Frage zu kommen: die caveolaevermittelte und die clathrinabhängige Endozytose. Caveolae sind kleine, cholesterinreiche Einkerbungen der Zellmembran. Hier docken Moleküle aus dem Medium an, die Einkerbung stülpt sich immer weiter ein und schnürt sich zu einem Bläschen ab, das ins Zellinnere wandert. Mit Hilfe von Hemmstoffen störten die Forscher die Cholesterinverteilung in der Zellmembran und damit die Caveolae – doch die Aufnahme der Nanoröhrchen konnte so nicht unterbunden werden.
Bei der clathrinabhängigen Variante docken Moleküle aus dem Medium an spezielle Andockstellen auf der Außenseite der Zellmembran an. Auf der Innenseite sind Clathrin-Moleküle, Proteine in Form eines Dreibeins, an die Andockstellen geknüpft. Die Clathrin-Moleküle lagern sich zu einem zweidimensionalen Netzwerk zusammen, das sich nach innen wölbt und damit für eine Einstülpung der Membran sorgt. Wiederum entstehen Bläschen, die sich abschnüren und ins Zellinnere wandern. Zuckerhaltige oder kaliumfreie Medien zerstören Clathrinschichten. Wurden die Zellkulturen solchen Bedingungen ausgesetzt, waren sie nicht mehr in der Lage, die Nanoröhrchen aufzunehmen.
Der Schluss scheint klar, so Dai: "Dies spricht eindeutig für eine clathrinabhängige Endozytose von Kohlenstoffnanoröhrchen." Dieses Ergebnis steht allerdings im Widerspruch zu den Befunden einer anderer Gruppe, die einen nicht-endozytotischen Mechanismus vermutet. Die Ursachen der Diskrepanz sind noch zu klären.
Hongjie Dai und sein Team von der Universität Standford haben nun die Aufnahmemechanismen für Nanoröhrchen mit unterschiedlicher "Fracht", etwa DNA und Proteine, systematisch unter die Lupe genommen. Sie kühlten Zellkulturen ab, andere Zellkulturen versetzten sie mit einem Hemmstoff, der die ATP-Produktion stoppt. In beiden Fällen waren die Zellen dann nicht mehr in der Lage, zugegebene Nanoröhren aufzunehmen. "Wir schließen auf einen energieabhängigen endozytotischen Mechanismus", erklärt Dai.
Im Fall der Nanoröhrchen schienen den Forschern zwei der möglichen Endozytose-Wege besonders in Frage zu kommen: die caveolaevermittelte und die clathrinabhängige Endozytose. Caveolae sind kleine, cholesterinreiche Einkerbungen der Zellmembran. Hier docken Moleküle aus dem Medium an, die Einkerbung stülpt sich immer weiter ein und schnürt sich zu einem Bläschen ab, das ins Zellinnere wandert. Mit Hilfe von Hemmstoffen störten die Forscher die Cholesterinverteilung in der Zellmembran und damit die Caveolae – doch die Aufnahme der Nanoröhrchen konnte so nicht unterbunden werden.
Bei der clathrinabhängigen Variante docken Moleküle aus dem Medium an spezielle Andockstellen auf der Außenseite der Zellmembran an. Auf der Innenseite sind Clathrin-Moleküle, Proteine in Form eines Dreibeins, an die Andockstellen geknüpft. Die Clathrin-Moleküle lagern sich zu einem zweidimensionalen Netzwerk zusammen, das sich nach innen wölbt und damit für eine Einstülpung der Membran sorgt. Wiederum entstehen Bläschen, die sich abschnüren und ins Zellinnere wandern. Zuckerhaltige oder kaliumfreie Medien zerstören Clathrinschichten. Wurden die Zellkulturen solchen Bedingungen ausgesetzt, waren sie nicht mehr in der Lage, die Nanoröhrchen aufzunehmen.
Der Schluss scheint klar, so Dai: "Dies spricht eindeutig für eine clathrinabhängige Endozytose von Kohlenstoffnanoröhrchen." Dieses Ergebnis steht allerdings im Widerspruch zu den Befunden einer anderer Gruppe, die einen nicht-endozytotischen Mechanismus vermutet. Die Ursachen der Diskrepanz sind noch zu klären.
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