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000197580 246_3 $$aSynthesen und Charakterisierung biologisch aktiver Goldnanopartikel$$yGerman
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000197580 500__ $$aPrüfungsjahr: 2012. - Publikationsjahr: 2013
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000197580 520__ $$aIn this work, the biological activity of a variety of gold nanoparticles (AuNPs) was investigated. Water soluble AuNPs in a size range from 1–15 nm were synthesized and characterized via UV/Vis spectroscopy, electron microscopy, dynamic light scattering, elemental analysis, infrared (IR) and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. Within a DFG funded cooperation project, the AuNPs were tested for their cytotoxicity against several cell lines including HeLa cells. For phosphine-stabilized AuNPs, stabilized with 3-(diphenylphosphino)-benzenesulfonate sodium salt (TPPMS), a size dependent toxicity with a maximum of toxicity for 1.4 nm sized AuNPs was found. Furthermore, the influence of the ligand binding strength was investigated. It was found that thiol-stabilized AuNPs are considerably less toxic and, in opposite to phosphine-stabilized small AuNPs, do not induce oxidative stress. By electron paramagnetic resonance spectroscopy, it was analyzed with an oxidizable stable radical as substrate if the toxicity of AuNPs correlates with their catalytic activity for oxidation reactions. This was however not the case. With DNA samples from cells that were incubated with AuNPs, the potential of the particles to damage DNA was investigated. For this, the DNA samples were enzymatically digested, and by gas chromatography and subsequent mass spectrometry the concentrations of DNA base oxidation products (lesions) were quantified. Here, no correlation with cytotoxicity was found. For cytotoxic phosphine-stabilized as well as for non-toxic thiol-stabilized AuNPs, no significantly enhanced concentrations of DNA lesions were found, and in contrary, for both cases, the concentrations of two lesions were decreased. A possible correlation with an activation of certain repair enzymes could not yet be proven within this work. It was further investigated whether the cytotoxic gold(I) complex TPPMS-Au(I)-Cl is potentially present as an impurity in AuNP samples and could thus be partially responsible for the cytotoxicity. By 31P-NMR spectroscopy, this question could not be answered unambiguously. A dialysis experiment revealed that the gold complex is not present besides the AuNPs in significant amounts. With 31P-NMR spectroscopy, the equilibrium between associated and dissociated TPPMS ligand molecules of AuNPs in solution could be confirmed. Patch clamp experiments with potassium ion (hERG) channel expressing cells revealed that the small phosphine-stabilized AuNPs block the ion channels irreversibly. Thiol-stabilized AuNPs again showed no effect. In reference experiments in the presence of an excess of TPPMS, the blocking could be inhibited. This result indicates that the blocking species is a gold core which has partially or completely stripped off its TPPMS ligand shell. This hypothesis could be supported by theoretical calculations from one of the cooperation partners. Besides TPPMS, more phosphines were synthesized and used as ligands for AuNPs. A trisulfonate (TPPTS), a carboxylic acid derivative (TPPMC) and a mixed charged ligand with a carboxylic acid and an amine function (TPPMCMA) could successfully be used as AuNP ligands. The resulting species did however not show considerable changes in cytotoxicity. Further, it was attempted to use diphosphine molecules as ligands for 1.4 nm sized AuNPs to investigate the correlation between ligand binding strength and cytotoxicity in more detail. With 3,3‘,3‘‘,3‘‘‘-(ethane-1,2-diylbis-(phosphintriyl))tetrabenzenesulfonate sodium salt (DPPETS), water soluble AuNPs could be synthesized. In a KCN degradation experiment, these showed lower stability than TPPMS-stabilized AuNPs. In differential scanning calorimetry measurements however, a clearly higher thermic stability of the diphosphine-stabilized AuNPs could be verified. A geometric estimation revealed that DPPETS could possibly, due to the chain length of the ethyl group between the two phosphorus atoms, not act as a bidentate ligand. For this reason, more AuNPs with the propyl- and butyl-analogous ligands (DPPPTS and DPPBTS) were synthesized. These showed however an impaired long term stability and were not stable in cell culture medium. By using larger gold colloids (11–13 nm) it could be shown that the synthesized diphosphine ligands are in principle applicable as AuNP ligands. For a potential therapeutic application of toxic AuNPs, 1.4 nm sized AuNPs were stabilized with a mixed ligand shell of TPPMS and TPPMC and further functionalized with (Lys3)-bombesin, an oligo peptide with high affinity towards gastrin-releasing peptide receptors (GRPR) which are expressed by several cancer cells. The functionalization of the AuNPs could be confirmed by IR spectroscopy. Further, cell experiments with GRPR expressing cells revealed that the activity of the bombesin derivative was not inhibited by coupling to the AuNPs.$$leng
000197580 5203_ $$aIn dieser Arbeit wurde die biologische Aktivität verschiedener Goldnanopartikel (AuNPs) untersucht. Es wurden wasserlösliche AuNPs im Größenbereich von 1–15 nm synthetisiert und mittels UV/Vis-Spektroskopie, Elektronenmikroskopie, dynamischer Lichtstreuung, Elementaranalytik, IR- und NMR-Spektroskopie charakterisiert. Die AuNPs wurden im Rahmen eines DFG-geförderten Kooperationsprojektes auf ihre Zytotoxizität gegenüber verschiedenen Zelllinien geprüft. Für phosphin-stabilisierte AuNPs, stabilisiert mit TPPMS, wurde eine größenabhängige Toxizität mit einem Toxizitätsmaximum für 1,4 nm große AuNPs gefunden. Außerdem wurde ein Einfluss der Ligand-Bindungsstärke untersucht. Hierbei zeigte sich, dass thiol-stabilisierte AuNPs deutlich weniger toxisch sind und, im Gegensatz zu den phosphin-stabilisierten kleinen AuNPs, keinen oxidativen Stress induzieren. Mittels EPR-Spektroskopie wurde mit einem oxidierbaren, stabilen Radikal als Substrat untersucht, ob die Toxizität von AuNPs mit ihrer katalytischen Aktivität für Oxidationsreaktionen korreliert werden kann. Dies war jedoch nicht der Fall. Mit DNA-Proben aus Zellen, die mit AuNPs inkubiert wurden, wurde das Potential der Partikel, DNA zu schädigen, untersucht. Dafür wurden die DNA-Proben enzymatisch zersetzt, und mittels GC/MS wurden die Konzentrationen der Oxidationsprodukte von DNA-Basen quantifiziert. Hierbei zeigte sich kein Zusammenhang mit der Zytotoxizität. Sowohl für zytotoxische phosphin-stabilisierte als auch für nicht toxische thiol-stabilisierte AuNPs wurden keine signifikant erhöhten Konzentrationen an DNA-Schädigungsprodukten gefunden, und im Gegenteil waren in beiden Fällen die Konzentrationen zweier bestimmter Basen-Oxidationsprodukte niedriger. Es wurde außerdem untersucht, ob der zytotoxische Gold(I)-Komplex TPPMS-Au(I)-Cl möglicherweise als Verunreinigung in AuNP-Proben vorkommt und somit für die Zytotoxizität mitverantwortlich sein könnte. Durch 31P-NMR-Spektroskopie konnte diese Frage nicht eindeutig beantwortet werden. Ein Dialyse-Experiment zeigte, dass der Goldkomplex nicht in signifikanten Mengen neben den AuNPs vorliegt. Mit Hilfe der 31P-NMR-Spektroskopie konnte das Gleichgewicht zwischen assoziierten und dissoziierten TPPMS-Ligandmolekülen von AuNPs in Lösung nachgewiesen werden. Patch-Clamp-Experimente an Kaliumionen (hERG)-Kanal-exprimierenden Zellen offenbarten, dass die kleinen phosphin-stabilisierten AuNPs die Ionenkanäle irreversibel blockieren. Thiol-stabilisierte AuNPs zeigten keinen Effekt. In Vergleichsexperimenten in Anwesenheit eines Überschusses an TPPMS konnte das Blockieren verhindert werden. Dieses Resultat deutet darauf hin, dass die blockierende Spezies ein Goldkern ist, welcher partiell oder vollständig seine TPPMS-Ligandhülle abgestreift hat. Diese Hypothese konnte durch theoretische Rechnungen von einem der Kooperationspartner gestützt werden. Neben TPPMS wurden weitere Phosphine synthetisiert und als Liganden für AuNPs verwendet. Ein Trisulfonat (TPPTS), ein Carbonsäure-Derivat (TPPMC) und ein gemischt-geladener Ligand mit einer Carbonsäure- und einer Amingruppe (TPPMCMA) konnten erfolgreich als AuNP-Liganden eingesetzt werden. Die resultierenden Spezies zeigten in Zelltests aber keine deutliche Änderung der Zytotoxizität. Es wurde außerdem versucht, Diphosphin-Moleküle als Liganden für 1,4 nm große AuNPs zu benutzen, um den Zusammenhang zwischen Ligand-Bindungsstärke und Zytotoxizität näher zu untersuchen. Mit 3,3‘,3‘‘,3‘‘‘-(Ethan-1,2-diylbis-(phosphintriyl))tetrabenzolsulfonat-Natriumsalz (DPPETS) konnten wasserlösliche AuNPs hergestellt werden. Diese zeigten in einem KCN-Zersetzungsexperiment eine niedrigere Stabilität als TPPMS-stabilisierte AuNPs. In DSC-Messungen konnte allerdings eine deutlich höhere thermische Stabilität der diphosphin-stabilisierten AuNPs nachgewiesen werden. Eine geometrische Abschätzung offenbarte, dass DPPETS aufgrund der Kettenlänge der Ethyl-Gruppe zwischen den beiden Phosphoratomen möglicherweise nicht als bidentater Ligand fungieren kann. Deshalb wurden weitere AuNPs mit den Propyl- und Butyl-analogen Liganden (DPPPTS und DPPBTS) synthetisiert. Diese zeigten allerdings eine verminderte Langzeit- und Zellkulturmediumsstabilität. Durch Verwendung größerer Goldkolloide (11–13 nm) konnte gezeigt werden, dass die synthetisierten Diphosphin-Liganden prinzipiell als AuNP-Liganden geeignet sind. Für eine mögliche therapeutische Anwendung toxischer AuNPs wurden 1,4 nm große AuNPs mit einer gemischten Ligandhülle aus TPPMS und TPPMC stabilisiert und mit (Lys3)-Bombesin, einem Oligopeptid mit hoher Affinität gegenüber gastrin-releasing peptide-Rezeptoren (GRPR), die von einigen Krebszellen exprimiert werden, funktionalisiert. Die Funktionalisierung der AuNPs konnte mittels IR-Spektroskopie nachgewiesen werden. Außerdem zeigten Zellexperimente an GRPR-exprimierenden Zellen, dass die Aktivität des Bombesin-Derivats durch Anbindung an die AuNPs nicht gehemmt wird.$$lger
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