Design of multifunctional magnetic nanomaterials for biomedical applications

Abstract

Diese Arbeit ist ein Beitrag zu den schnell wachsenden Forschungsgebieten der Nano-Biotechnologie und Nanomedizin. Sie behandelt die spezifische Gestaltung magnetischer Nanomaterialien für verschiedene biomedizinische Anwendungsgebiete, wie beispielsweise Kontrastmittel für die magnetische Resonanztomographie (MRT) oder "theragnostische" Agenzien für simultane optische/MR Detektion und Behandlung mittels photodynamischer Therapie (PDT).rnEine Vielzahl magnetischer Nanopartikel (NP) mit unterschiedlichsten magnetischen Eigenschaften wurden im Rahmen dieser Arbeit synthetisiert und erschöpfend charakterisiert. Darüber hinaus wurde eine ganze Reihe von Oberflächenmodifizierungsstrategien entwickelt, um sowohl die kolloidale als auch die chemische Stabilität der Partikel zu verbessern, und dadurch den hohen Anforderungen der in vitro und in vivo Applikation gerecht zu werden. Diese Strategien beinhalteten nicht nur die Verwendung bi-funktionaler und multifunktioneller Polymerliganden, sondern auch die Kondensation geeigneter Silanverbindungen, um eine robuste, chemisch inerte und hydrophile Siliziumdioxid- (SiO2) Schale um die magnetischen NP auszubilden.rnGenauer gesagt, der Bildungsmechanismus und die magnetischen Eigenschaften monodisperser MnO NPs wurden ausgiebig untersucht. Aufgrund ihres einzigartigen magnetischen Verhaltens eignen sich diese NPs besonders als (positive) Kontrastmittel zur Verkürzung der longitudinalen Relaxationszeit T1, was zu einer Aufhellung im entsprechenden MRT-Bild führt. Tatsächlich wurde dieses kontrastverbessernde Potential in mehreren Studien mit unterschiedlichen Oberflächenliganden bestätigt. Au@MnO â Nanoblumenâ , auf der anderen Seite, sind Vertreter einer weiteren Klasse von Nanomaterialien, die in den vergangenen Jahren erhebliches Interesse in der wissenschaftlichen Welt geweckt hat und oft â Nano-hetero-Materialienâ genannt wird. Solche Nano-hetero-partikel vereinen die individuellen physikalischen und chemischen Eigenschaften der jeweiligen Komponenten in einem nanopartikulärem System und erhöhen dadurch die Vielseitigkeit der möglichen Anwendungen. Sowohl die magnetischen Merkmale von MnO, als auch die optischen Eigenschaften von Au bieten die Möglichkeit, diese â Nanoblumenâ für die kombinierte MRT und optische Bildgebung zu verwenden. Darüber hinaus erlaubt das Vorliegen zweier chemisch unterschiedlicher Oberflächen die gleichzeitige selektive Anbindung von Katecholliganden (auf MnO) und Thiolliganden (auf Au). Außerdem wurde das therapeutische Potential von magnetischen NPs anhand von MnO NPs demonstriert, die mit dem Photosensibilisator Protoporhyrin IX (PP) funktionalisiert waren. Bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht initiiert PP die Produktion von zytotoxisch-reaktivem Sauerstoff. Wir zeigen, dass Nierenkrebszellen, die mit PP-funktionalisierten MnO NPs inkubiert wurden nach Bestrahlung mit Laserlicht verenden, während sie ohne Bestrahlung unverändert bleiben. In einem ähnlichen Experiment untersuchten wir die Eigenschaften von SiO2 beschichteten MnO NPs. Dafür wurde eigens eine neuartige SiO2-Beschichtungsmethode entwickelt, die einer nachfolgende weitere Anbindung verschiedenster Liganden und die Einlagerung von Fluoreszenzfarbstoffen durch herkömmliche Silan- Sol-Gel Chemie erlaubt. Die Partikel zeigten eine ausgezeichnete Stabilität in einer ganzen Reihe wässriger Lösungen, darunter auch physiologische Kochsalzlösung, Pufferlösungen und humanes Blutserum, und waren weniger anfällig gegenüber Mn-Ionenauswaschung als einfache PEGylierte MnO NPs. Des Weiteren konnte bewiesen werden, dass die dünne SiO2 Schicht nur einen geringen Einfluss auf das magnetische Verhalten der NPs hatte, so dass sie weiterhin als T1-Kontrastmittel verwendet werden können. Schließlich konnten zusätzlich FePt@MnO NPs hergestellt werden, welche die individuellen magnetischen Merkmale eines ferromagnetischen (FePt) und eines antiferromagnetischen (MnO) Materials vereinen. Wir zeigen, dass wir die jeweiligen Partikelgrößen, und damit das resultierende magnetische Verhalten, durch Veränderung der experimentellen Parameter variieren können. Die magnetische Wechselwirkung zwischen beiden Materialien kann dabei auf Spinkommunikation an der Grenzfläche zwischen beiden NP-Sorten zurückgeführt werden.rn

The present work is a contribution to the rapidly evolving research fields of nano-biotechnology and nanomedicine. It focuses on the specific design of magnetic nanomaterials for different biomedical areas, ranging from application as contrast agents for magnetic resonance imaging (MRI) to â theragnosticsâ agents for simultaneous optical/MR detection and treatment via photodynamic therapy (PDT).rnA variety of magnetic nanoparticles (NPs) with distinct magnetic properties were synthesized and thoroughly characterized. Additionally, a whole series of surface modification strategies were developed to improve both, colloidal and chemical stability, and thus cope with the respective challenges presented by in vitro and in vivo application. These strategies involve, not only, the use of bi-functional and multifunctional polymeric ligands equipped with catechol anchorgroups for efficient surface attachment, but also the condensation of suitable silane precursors to create a robust, inert and hydrophilic silica shell around the magnetic NPs.rnMore precisely, the formation mechanism and the magnetic properties of monodisperse MnO NPs were extensively investigated. Due to their unique magnetic behavior, these NPs serve as (positive) contrast agents to shorten the longitudinal relaxation time T1, which leads to brightening in the corresponding MR image. In fact, this contrast enhancing potential was confirmed in several studies using different surface ligands. Au@MnO â nanoflowersâ , on the other hand, are representatives of another class of nanomaterials that has attracted considerable interest during the last years and is often termed â nano-hetero-materialsâ . They combine the individual physical and chemical properties of each component within one nanoparticulate probe and, hence, increase the diversity of possible applications. Both, magnetic features of MnO and optical characteristics of Au, offer the possibility to use these â nanoflowersâ for combined MR and optical imaging. In addition to that, two chemically unique surfaces permit the selective attachment of catechol ligands (on MnO) and thiol ligands (on Au) at the same time. Furthermore, the therapeutic potential of magnetic NPs was demonstrated in the case of MnO NPs functionalized with the photosensitizer protoporphyrin IX (PP). PP initiates the production of highly cytotoxic reactive oxygen upon illumination with visible light. We show that kidney cancer cells incubated with PP-functionalized MnO NPs die after irradiation with laser light, whereas they remain unharmed, when no laser light was applied. In a comparable study we investigated the characteristics of silica coated MnO NPs. For this purpose a novel silica coating procedure was developed, that allows further attachment of various ligands and the incorporation of fluorescent dyes via common silane sol-gel chemistry. The particles show excellent stability in a whole range of aqueous solutions, including physiological saline, buffers and human blood serum, and are less prone to manganese ion leaching compared to simply PEGylated MnO NPs. Besides, the presence of a thin silica shell on the MnO NP surface does not change the magnetic properties significantly and, hence, still enables their use as T1 contrast agents. Finally, we synthesized FePt@MnO nano-hetero-particles that combine the individual magnetic properties of a ferromagnetic (FePt) and an antiferromagnetic (MnO) material. We were able to tune the corresponding particle sizes and, therefore, the resulting magnetic behavior of the system by adjustment of the experimental parameters during the synthesis. The magnetic interaction between both materials can be ascribed to spin communication at the interface between both types of NPs.rn