Analysis of the toxicity mechanism of zinc oxide nanoparticles aiming at their application as innovative anti-tumor agent
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Die Entwicklung innovativer nanopartikelbasierter Therapeutika ist gegenwärtig in der Medizin ein großes Thema und auch in der Tumortherapie ruhen viele Hoffnungen auf der Nanomedizin. Gleichzeitig ist die Beurteilung unerwünschter Nebenwirkungen bei nanomedizinischen Therapeutika jedoch eine große Herausforderung, da zwischen Nanopartikeln und dem menschlichen Körper vollkommen neue Interaktionsmöglichkeiten bestehen.
Diese Doktorarbeit befasst sich mit dem Toxizitätsmechanismus von Zinkoxid-Nanopartikeln (ZnO NP) und ihrer potenziellen Anwendung als innovatives Krebstherapeutikum. Metalloxid-Nanopartikel wie ZnO NP stellen eine besondere Herausforderung dar, da sie in der Lage sind Metallionen frei zu setzen und so über viele unterschiedliche Mechanismen mit dem Körper zu interagieren. Um eine Translation dieser Partikel in die klinische Praxis zu ermöglichen ist es fundamental wichtig ihr Verhalten in biologischen Systemen im Detail zu verstehen, um so ihre Toxizität genau kontrollieren zu können.
Diese Studie wurde mit ZnO NP einer Größe von 5 22 nm durchgeführt, die ein Zeta Potential von 20 30 mV aufwiesen. In wässrigem Medium bildeten sie schnell Agglomerate und Präzipitate. Zudem kam es zur Auflösung der Partikel und zur Freisetzung von Zinkionen (Zn2+). Etwa ein Viertel aller in den Partikeln enthaltenen Zn2+ wurden innerhalb von vier Stunden freigesetzt. Extrazellulär frei gesetzte Zn2+ sind in der Lage toxische Effekte hervor zu rufen, wie Versuch mit Zinkchlorid (ZnCl2) zeigen konnten. Gleichzeitig beruht die Toxizität von ZnO NP jedoch nicht allein auf der Freisetzung von Zn2+, vielmehr ist auch eine direkte Interaktion der Nanopartikel mit humanen Tumorzellen vonnöten.
Wir konnten zeigen, dass es mit Hilfe einer Silikahülle (ZnO@SiO2 NP) möglich ist, die Freisetzung von Zn2+ aus den Partikeln zu verzögern, sodass ein sicherer Transport im Blutgefäßsystem möglich wäre. Zudem könnte mit Hilfe von speziellen Liganden ein gezieltes Ansteuern des Tumors im menschlichen Körper erfolgen. Wir konnten nachzuweisen, dass ZnO@SiO2 NP innerhalb von vier Stunden auf der Membran verschiedener Tumorzellen zu liegen kamen und von diesen aufgenommen wurden. Dies zeigt, dass die Synthese solcher Partikel im Prinzip möglich ist, allerdings braucht das System noch weiteren Feinschliff.
Um die Toxizität im Körper optimal kontrollieren zu können, ist es enorm wichtig zu wissen, auf welche Weise Zellen mit den Nanopartikeln interagieren und wie toxische Effekte zustande kommen. Mit verschiedenen Tumorzelllinien konnten wir zeigen, dass sowohl nekrotischer als auch apoptotischer Zelltod vermittelt werden können.
In einem einfachen Experiment mit Plasmid-DNA in einer zellfreien Umgebung konnte gezeigt werden, dass ZnO NP in der Lage sind, Einzelstrangbrüche der DNA zu induzieren und, dass zusammen mit H2O2 als repräsentativer Vertreter von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) auch Doppelstrangbrüche entstehen, die über den alleinigen Effekt von H2O2 deutlich hinaus gehen. Somit sind ZnO NP auch in der Lage Tumorzellen über die DNA zu schädigen.
Es ist wohlbekannt, dass die Entstehung von ROS an der Toxizität von ZnO NP beteiligt ist, jedoch ist es Gegenstand von Diskussionen ob die ROS direkt an der Oberfläche der Partikel entstehen oder erst bei Interaktion mit einem biologischen System. Für die hier verwendeten ZnO NP konnten wir nachweisen, dass ROS nicht direkt an den Nanopartikeln entstehen, die Inkubation mit ZnO NP konnte jedoch das Superoxid-Level in den Mitochondrien anheben und zu einer Freisetzung von Cytochrom C führen. Dies deutet darauf hin, dass sowohl ROS als auch eine Schädigung der Mitochondrien eine zentrale Rolle im Toxizitätsmechanismus von ZnO NP spielen. Das Auslösen von Apoptose über den intrinsischen Weg über die Mitochondrien ist denkbar sowie eine Vermittlung des Tumorzelltods über die oben genannten DNA-Schäden.
Um zu untersuchen, ob ZnO NP eine selektive Toxizität gegenüber Tumorzellen aufweisen wurden die Effekte der Nanopartikel auf Tumorzellen mit jenen auf Fibroblasten und endotheliale Zellen verglichen. Bei einer mittleren Konzentration von 50 µg/mL ZnO NP wurden zwar die Fibroblasten weniger geschädigt als die Tumorzellen, jedoch reagierten die endothelialen Zellen sehr empfindlich. Dies zeigt, dass für eine sichere Anwendung der Nanopartikel auf jeden Fall eine entsprechende Hülle vonnöten ist, um die Partikel im Blutgefäßsystem transportieren zu können, sowie um ein aktives Targeting zum Tumor zu ermöglichen.
Nicht nur als alleinstehendes Tumortherapeutikum sind ZnO NP denkbar, sondern auch in Kombination mit Strahlentherapie. Hier konnten wir zeigen, dass die Nanopartikel in der Lage sind den Erfolg der Radiotherapie zu verbessern, was besonders im Licht von häufig während der Therapie entstehenden Strahlenresistenzen interessant ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass viele Details des Toxizitätsmechanismus von ZnO NP aufgedeckt werden konnten. Dies ist wichtig um diese Nanopartikel in der Zukunft sicher als innovatives Therapeutikum einsetzen zu können.