Nanokristalle zur Visualisierung des Lipoproteinstoffwechsels

Abstract

Die vorliegende kumulative Dissertation fasst drei Publikationen und zwei Manuskripte zusammen, welche aus dieser Promotionsarbeit hervorgegangen sind. Die Zielsetzung dieses Promotionsprojektes war es Lipoproteine, im speziellen die postprandialen Chylomikronen und deren „Remnants“, mit Nanokristallen zu markieren, um auf diese Weise den Stoffwechsel der Lipoproteine in zellulären Systemen und Tiermodellen zu visualisieren. Hierbei sollten Halbleiter- und Eisenoxid-Nanokristalle verwendet werden, da sich diese hervorragend zur Darstellung mittels der Elektronen- und Fluoreszenz-Mikroskopie sowie der Magnet-Resonanz-Tomographie eignen. Es wurden zwei Markierungsstrategien verfolgt, zum einem mit hydrophilen und zum anderen mit lipophilen Nanokristallen. Hierbei hat es sich als Problem herausgestellt die kolloidale Stabilität der wasserlöslichen Nanokristalle in physiologischen Puffersystemen zu erhalten. Es wurde eine Aggregation der Teilchen beobachtet, die eine starke Veränderung der physikalischen Eigenschaften verursacht hat. Erstmals wurde hierzu eine systematische Untersuchung mit wasserlöslichen Halbleiter-Nanokristallen durchgeführt. Darauf aufbauend wurde eine Funktionalisierung von Eisenoxid-Nanokristallen mit Polyethylenglykol-Ketten verschiedener Länge durchgeführt. Die Kettenlänge wurde in Hinblick auf eine erhöhte Stabilität gegenüber der Aggregation im Serum optimiert (Tromsdorf et al., Manuskript in Vorbereitung, siehe Anhang). Um den Lipidkern von Lipoproteinen mit lipophilen Nanokristallen zu markieren, wurde ein rekombinantes Modellsystem aus physiologischen humanen Lipiden und Apolipoproteinen etabliert. Da die so hergestellten Mizellen lipophile Nanokristalle im Lipidkern enthalten, wurde hierfür der Begriff „Nanosomen“ eingeführt. Für die Markierung von Lipoproteinen mit Eisenoxid-Nanokristallen zur Darstellung mittels Magnet-Resonanz-Tomographie, ist deren quantitativer Einfluss auf das gemessene Signal, ihre Relaxivität, von großer Bedeutung. In einer vergleichenden Studie wurde der Einfluss von Nanokristallgröße und insbesondere verschiedener Oberflächenfunktionalisierungen erstmals untersucht und an Hand theoretischer Modelle diskutiert. Es konnte zusätzlich gezeigt werden, dass die Nanosomen analog zu nativen Lipoproteinen prozessiert werden und somit ein geeignetes System zum Studium des postprandialen Lipoproteinstoffwechsels sind (Bruns et al., Manuskript in Vorbereitung, siehe Anhang). Mit Hilfe der Nanosomen konnte zum ersten Mal der postprandiale Lipoproteinstoffwechsel in Echtzeit mittels der Magnet-Resonanz-Tomographie im Tiermodell visualisiert und quantifiziert werden.

This cumulative dissertation comprises three publications and two manuscripts in preparation. The goal of this thesis was to label lipoproteins, in particular postprandial chylomicrons and its remnants with nanocrystals to visualise their metabolism in cellular systems and animal models. Due to their excellent suitability for electron microscopy as well as fluorescence and magnetic-resonance-imaging, semiconductor and iron oxide nanocrystals were applied. Two labelling strategies were pursued. Both hydrophilic and lipophilic nanocrystals were used. The challenge was to preserve the colloidal stability of hydrophilic nanocrystals in physiological buffers, as an aggregation of the particles was observed, causing a strong alteration of their physical properties. For the first time a systematic analysis with water soluble semiconductor nanocrystals was conducted. Based on these results, iron oxide nanocrystals were functionalised with polyethylenglycol-chains of different lengths. The chain length was optimised with regard to its resistance against aggregation in serum (Tromsdorf et al., manuscript in preparation, see supplement). To label the lipid core of lipoproteins with lipophilic nanocrystals a recombinant model system consisting of physiological human lipids and apolipoproteins was established. Since the micelles contained lipophilic nanocrystals in the lipid core, it was designated ‚nanosomes’. For magnetic-resonance-imaging of lipoproteins labelled with iron oxide nanocrystals, their quantitative influence on the signal, its relaxivity, is of great importance. The influence of nanocrystal size and surface functionalisation were compared and discussed on the basis of theoretical models. Additionally, it was demonstrated that nanosomes are processed in analogy to native lipoproteins. Therefore, nanosomes are an appropriate tool to study postprandial lipoprotein metabolism (Bruns et al., manuscript in preparation, see supplement). Nanosomes allowed to visualise and quantify the postprandial lipoprotein metabolism in real-time by magnetic-resonance-imaging in vivo for the first time.