Authors:	Freese, Christian
Title:	Uptake of gold nanoparticles in microvascular endothelial cells
Online publication date:	1-Feb-2012
Year of first publication:	2012
Language:	english
Abstract:	The physicochemical properties of nanoparticles make them suitable for biomedical applications. Due to their ‘straight-forward’ synthesis, their known biocompatibility, their strong optical properties, their ability for targeted drug delivery and their uptake potential into cells gold nanoparticles are highly interesting for biomedical applications. In particular, the therapy of brain diseases (neurodegenerative diseases, ischemic stroke) is a challenge for contemporary medicine and gold nanoparticles are currently being studied in the hope of improving drug delivery to the brain.\r\nIn this thesis three major conclusions from the generated data are emphasized.\r\n1. After improvement of the isolation protocol and culture conditions, the formation of a monolayer of porcine brain endothelial cells on transwell filters lead to a reproducible and tight in vitro monoculture which exhibited in vivo blood brain barrier (BBB) characteristics. The transport of nanoparticles across the barrier was studied using this model.\r\n2. Although gold nanoparticles are known to be relatively bioinert, contaminants of the nanoparticle synthesis (i.e. CTAB or sodium citrate) increased the cytotoxicity of gold nanoparticles, as shown by various publications. The results presented in this thesis demonstrate that contaminants of the nanoparticle synthesis such as sodium citrate increased the cytotoxicity of the gold nanoparticles in endothelial cells but in a more dramatic manner in epithelial cells. Considering the increased uptake of these particles by epithelial cells compared to endothelial cells it was demonstrated that the observed decrease of cell viability appeared to be related to the amount of internalized gold nanoparticles in combination with the presence of the contaminant.\r\n3. Systematically synthesized gold nanoparticles of different sizes with a variety of surface modifications (different chemical groups and net charges) were investigated for their uptake behaviour and functional impairment of endothelial cells, one of the major cell types making up the BBB. The targeting of these different nanoparticles to endothelial cells from different parts of the body was investigated in a comparative study of human microvascular dermal and cerebral endothelial cells. In these experiments it was demonstrated that different properties of the nanoparticles resulted in a variety of uptake patterns into cells. Positively charged gold nanoparticles were internalized in high amounts, while PEGylated nanoparticles were not taken up by both cell types. Differences in the uptake behavior were also demonstrated for neutrally charged particles of different sizes, coated with hydroxypropylamine or glucosamine. Endothelial cells of the brain specifically internalized 35nm neutrally charged hydroxypropylamine-coated gold nanoparticles in larger amounts compared to dermal microvascular endothelial cells, indicating a "targeting" for brain endothelial cells. Co-localization studies with flotillin-1 and flotillin-2 showed that the gold nanoparticles were internalized by endocytotic pathways. Furthermore, these nanoparticles exhibited transcytosis across the endothelial cell barrier in an in vitro BBB model generated with primary porcine brain endothelial cells (1.). In conclusion, gold nanoparticles with different sizes and surface characteristics showed different uptake patterns in dermal and cerebral endothelial cells. In addition, gold nanoparticles with a specific size and defined surface modification were able to cross the blood-brain barrier in a porcine in vitro model and may thus be useful for controlled delivery of drugs to the brain. Die physikochemischen Eigenschaften von Nanopartikeln machen diese zu viel versprechenden Werkzeugen der Wissenschaft und Medizin. Die „straight-forward“-Synthese von Goldnanopartikeln, die Biokompatibilität, die guten optischen Eigenschaften, sowie das gute Aufnahmepotential in Zellen machen Goldnanopartikel zu einem interessanten Wissenschaftsobjekt. Besonders die Behandlung von neurogenerativen Erkrankungen und Hirnschlag ist heutzutage eine große Herausforderung für die Medizin. Daher könnte der Einsatz von Goldnanopartikeln durch gezielte Gabe von Medikamenten die Heilungschancen verbessern.\r\nDrei Forschungsergebnisse der vorliegenden Arbeit sollen im Folgenden hervorgehoben werden:\r\n1. Nach der Verfeinerung des Isolationsprotokolls, der Kulturbedingungen von Schweinehirnendothelzellen und der Bildung eines intakten einschichtigen Zellrasens auf einem Transwellfiltersystems, konnte eine dichte in vitro Monokultur von Endothelzellen generiert werden, die ähnliche Eigenschaften der in vivo Bluthirnschranke aufweist. Der Transport von Goldnanopartikeln über die Bluthirnschranke konnte anhand dieses Modells untersucht werden.\r\n2. Obwohl Goldnanopartikel als relativ biokompatibel angesehen werden können, konnte in mehreren Publikationen gezeigt werden, dass Reste von Syntheseprodukten, wie z.B. CTAB oder Natriumzitrat, die Zytotoxizität erhöht. Die Ergebnisse dieser Arbeit wiederum zeigen, dass Natriumzitrat die Zytotoxizität von Endothelzellen erhöht, jedoch der Einfluss auf Epithelzellen massiver ist. Die erhöhte Menge an Goldnanopartikeln in Epithelzellen gegenüber Endothelzellen konnte mit der geringeren Zellvitalität in Verbindung gebracht werden, die des Weiteren auch von der Menge an Natriumzitrat abhängig ist.\r\n3. Nach der Herstellung von Goldnanopartikeln verschiedener Größen mit einer Vielfalt an verschiedenen Oberflächenmodifikationen (verschiedene chemische Gruppen und Ladungen) wurde die Aufnahmefähigkeit sowie die Beeinflussung von Endothelzellen untersucht. Dabei wurde die gezielte Aufnahme von Partikeln in Endothelzellen verschiedener Herkunft (humane dermale und zerebrale Endothelzellen) mit einander verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die verschiedenen Veränderungen der Partikeloberfläche in einem unterschiedlichen Aufnahmepotential in Endothelzellen resultierten. Positiv geladene Partikel wurden gut aufgenommen, während Goldnanopartikel mit Poly(ethylenglykol) von beiden Endothelzelltypen weniger gut aufgenommen wurden. Unterschiede gab es auch bei neutral geladenen Goldnanopartikeln verschiedener Größen, die mit Hydroxypropylamin oder Glukosamin beschichtet sind. Besonders die 35nm großen Hydroxypropylamin-beschichteten Goldnanopartikel werden verstärkt aufgenommen. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die Menge dieser Partikel in Hirnendothelzellen höher ist, als die von dermalen Endothelzellen. Somit kann man von einer „gezielten“ Aufnahme in Hirnendothelzellen sprechen. Durch Kolokalisationsuntersuchungen mit Flotillin-1 und -2 konnte unterdessen gezeigt werden, dass die Partikel von den Zellen über Endozytose aufgenommen werden. Des Weiteren wurde aufgezeigt, dass die Partikel über die Barriere von Hirnendothelzellen gelangen können. Dies wurde anhand des Schweinemodells der Bluthirnschranke gezeigt (siehe 1.). Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass Goldnanopartikel mit verschiedenen Größen, Ladungen und Oberflächencharakteristika unterschiedlich in verschiedene Endothelzelltypen aufgenommen werden. Die Verknüpfung einer bestimmten Größe und Oberfläche von Goldnanopartikeln kann somit für einen gezielten Transport in Hirnendothelzellen und einen Transport über diese genutzt werden.
DDC:	570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 10 Biologie
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3203
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-28995
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	131 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen