Triple labelled gold nanoparticles and fluorescent carbon nanodots as platforms for cell/nanoparticles interaction studies

Abstract

Anorganische Nanopartikel (NPs) wurden ausführlich mit organischen Oberflächenbeschichtungen modifiziert, um die gewünschten Merkmale zu erhalten. Doch auch gut hergestellte polymerbeschichtete Nanopartikel verlieren ihre ursprünglichen Eigenschaften, da sie Proteine der biologischen Umgebung adsorbieren. Daher entstehen künstliche Nanopartikel, die aus einem anorganischen Nanopartikelkern, der Polymerhülle und den adsorbierten Proteinen bestehen. Diese interagieren mit dem biologischen System, wodurch die Fragen entstehen: Was ist das intrazelluläre Schicksal der einzelnen Komponenten und bleiben sie intakt oder zerfallen sie? In dieser Doktorarbeit wurde eine metallbasierte dreifach funktionalisierte Nanoplattform erstellt, die aus einem Goldkern besteht, der in einer Polymerhülle mit iodmarkierten Proteinen eingebettet ist. Vorläufige Ergebnisse heben das große Potential als Kandidat für weitere biologische Studien mit hoher kolloidaler Stabilität und geringer Zellschädigung hervor. Chiralität ist ein entscheidendes Merkmal in Bezug auf die Materialleistung in der biologischen Anwendung. Allerdings sind chiral-biologische Wechselwirkungen bei neuen Materialien wie Kohlenstoff-Nanodots (CNDs) kaum veröffentlicht worden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die fluoreszenten CNDs adaptiert, bestehend aus nicht-chiralen CNDs (N-CNDs) und zwei verschiedenen chiralen CNDs (R-CNDs und S-CNDs), die eine vielversprechende Plattform zur Untersuchung eines möglicherweise von der Chiralität abhängigen Verhaltens bilden. Nach einigen Versuchen konnte der Einfluss der Chiralität auf folgende Aspekte festgestellt werden: 1) Die Chiralität nimmt Einfluss auf die zelluläre Aufnahme, was durch die erhöhte Aufnahme von S CNDs gegenüber R-CNDs sowie N-CNDs bei Makrophagen der THP-1 Zelllinie und HeLa Zellen gezeigt werden konnte. 2) Chiralität beeinflusst die Proteinadsorption, denn die R-CNDs sowie N-CNDs wiesen eine erhöhte HSA-Adsorption im Vergleich mit S-CNDs auf. 3) Chiralität wirkt auf den Weg der Endozytose, was daran zu erkennen ist, dass sowohl THP-1 abgeleitete Makrophagen als auch HeLa Zellen die N-CNDs mittels spezieller Clathrin-vermittelte Endozytose aufnehmen können, abgesehen vom Aufnahmeweg der Phagozytose für alle drei CND-Arten. Diese faszinierende Entdeckung könnte andere Forscher ermutigen, weitere Untersuchungen des Aufnahmeverhaltens in Abhängigkeit der Chiralität mit fluoreszierenden CNDs als Basis durchzuführen, und den Weg für gewünschte Anwendungen ebnen, die auf CNDs und ihrer Chiralität beruhen.

Inorganic nanoparticles (NPs) have been extensively modified with organic surface coating to achieve desired objectives. However, the well-fabricated polymer coated inorganic nanoparticles lose their initial properties due to the adsorption of proteins in the biological environment. Therefore, the artificial NPs emerge containing inorganic NPs core, organic polymer shell and the absorbed proteins, thereafter interacting with the biological system. In this case, what is the intracellular fate of each part, whether they stay intact or disintegrated? Herein, a metal-based triple labeled nanoplatform was established, comprising of gold core, In chelated polymer shell and Iodine labeled protein layer. Preliminary results highlighted its potential as a good candidate for further biodegradation studies with colloidal stability and low cytotoxicity. Chirality is a crucial characteristic relating to material performance in their biological applications. However, the chiral-bio interactions have barely been reported in the case of the novel materials carbon nanodots (CNDs). Herein, we adopted the fluorescent CNDs containing one non-chiral CNDs (N-CNDs), two chiral CNDs (R-CNDs and S-CNDs) as a promising platform to investigate the potential chirality dependent behavior. After multiple trials, the impact of chirality was revealed in the following perspectives. 1) Chirality has an impact on cellular uptake as evidenced by the higher internalized amount of S-CNDs compared with the other enantiomers R-CNDs and N-CNDs in THP-1 derived macrophages and HeLa cells. 2) Chirality influences protein absorption since R-CNDs and N-CNDs had more HSA adsorption than S-CNDs. 3) Chirality affects the endocytosis pathway as can be seen that THP-1 derived macrophages and HeLa cells take up N-CNDs through specific clathrin-associated endocytosis pathway apart from the shared phagocytosis pathway for all three CNDs. Our fascinating discovery will probably inspire researchers for further investigations about chirality dependent performances using fluorescent CNDs as platforms, paving the way for the desired applications of CNDs relying on chirality.