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Synthesis and functionalization of nanoparticles with biogenic amines and their biological application

Synthese und Funktionalisierung von Nanopartikeln mit biogenen Aminen und deren biologische Anwendung

Gasiorek, Friederike Britta


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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-120169
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2016/12016/


Freie Schlagwörter (Deutsch): Nanopartikel , Synthese , Funktionalisierung , biogene Amine
Freie Schlagwörter (Englisch): nanoparticles , synthesis , functionalization , biogenic amines
Universität Justus-Liebig-Universit√§t Gie√üen
Institut: Institut f√ľr Anorganische und Analytische Chemie
Fachgebiet: Chemie
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der m√ľndlichen Pr√ľfung: 23.03.2016
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum: 06.04.2016
Kurzfassung auf Englisch: This work presents a successful application of newly developed conjugates of bioactive molecule and nanoparticle. A remarkable enhancement of receptor activation was achieved by multivalent presentation of active moieties supported on gold nanoparticles.
For this purpose diverse gold nanoparticles were synthesized and functionalized with biogenic amines. Different synthetic approaches were used to obtain gold nanoparticles between 4 nm and 25 nm. Small gold nanoparticles of 4 nm, 6 nm and 7 nm were synthesized in organic solution; larger gold nanoparticles of 14 nm and 25 nm were synthesized by citrate reduction of the precursor salt in aqueous solution. All types were rather monodisperse in size. Next they were equipped with mercaptocarboxylic acids of different chain lengths via ligand exchange reaction making all gold nanoparticles water soluble. This kind of ligand provides an additional group for functionalization at the ligand periphery. Only with 11-mercaptoundecanoic acid (MUDA) was the resulting colloidal solution stable and could be used for further modifications. Molecules possessing an amino group can be coupled onto the gold nanoparticles via EDC/NHS (1-ethyl-3-(3-dimethymaminopropyl)carbodiimide/N-hydroxysuccinimide) mediated peptide coupling reaction. Four different amines were immobilized on gold nanoparticles of 14 nm diameter: histamine (Au-MUDA-HA), dopamine (Au-MUDA-DA), serotonin (Au-MUDA-5HT) and carbachol (Au-MUDA-CB).
Histamine functionalized 14 nm gold nanoparticles were applied as new agonists in ligand-receptor interaction. As a functional read-out system, chloride secretion resulting from stimulation of neuronal and epithelial histamine H1 and H2 receptors was measured in Ussing chamber experiments. Compared to native histamine the multivalent presentation of histamine resulted in a potentiation of activation ability. Extremely low concentrations were necessary to induce a chloride secretion across rat colonic epithelium. For comparison the monovalent analogue AcS-MUDA-HA and gold nanoparticles without an active moiety Au-MUDOLS were also synthesized and tested. The measured effects could be attributed to Au-MUDA-HA as both references showed no activity at low concentrations. Only Au-MUDOLS harmed the tissue irreversibly. The observed effects could be explained by a high local density of histaminic moieties in close proximity. Tests with 7 nm and 25 nm gold nanoparticles did not show consistent results in the experimental setup and no statement of size dependence can be made.

Dopamine functionalized gold nanoparticles Au-MUDA-DA were not able to induce a chloride secretion at the administered concentrations. The colloidal solution changed color indicating an alteration. However multivalent presentation of serotonin on the gold nanoparticles Au-MUDA-5HT was effective. Chloride secretion could be measured in Ussing chamber experiments. Again very low concentrations were needed for activation of receptors. The stable acetylcholine derivative carbachol immobilized at the gold nanoparticles Au-MUDA-CB also showed excellent results in Ussing chamber experiments. Au-MUDA-CB evoked a response at picomolar concentrations. Gold nanoparticles with only free carboxylate moieties Au-MUDA were not inert in the experimental setup and they were able to activate receptors unspecifically. Again all enhanced interactions can be referred to the multivalent supporting of the active moieties.
In a further part of this work quantum dots (QDs) for cellular imaging were synthesized. CdTe and CdSe based nanoparticles emit in the visible spectrum of light when their core size is smaller than the Exciton bohr radius. QDs were synthesized directly in aqueous solution using different mercaptocarboxylic acids as capping ligands. The optical properties were determined. For biological application the QDs were covered with a ZnS shell. The presence of the additional shell has only slight influence on the optical properties of the QDs. Both passivated and unpassivated nanoparticles were applied for cell imaging. Carboxylic acid terminated QDs showed a better cell uptake than the sulfonated analogue, passivated QDs showed a faster cell uptake. CdTe/ZnS-TGA (thioglycolic acid) showed the best results in the cell imaging study.
Additionally the ternary system consisting of both parts of CdTe and CdSe was synthesized and characterized. Optical properties of the mixed crystal system shift linearly between both binary compounds. The size of the QDs did not differ significantly. This synthetic method can be used for fine tuning of emitting-properties without changing the particle size, which is necessary in some biological applications.
Kurzfassung auf Deutsch: In dieser Arbeit wurden diverse Goldnanopartikel synthetisiert und funktionalisiert. Verschiedene synthetische Ans√§tze wurden ausgew√§hlt, um Goldnanopartikel zwischen 4 nm und 25 nm zu erhalten. Kleine Goldnanopartikel mit 4 nm, 6 nm und 7 nm Gr√∂√üe wurden in organischer L√∂sung hergestellt, gr√∂√üere Goldnanopartikel mit 14 nm und 25 nm Gr√∂√üe wurden mittels Citrat-Reduktion eines Goldsalzes synthetisiert. Alle dargestellten Partikel waren relativ monodispers in ihrer Form. Anschlie√üend wurden Mercaptocarbons√§uren verschiedener Kettenl√§ngen mittels Ligandenaustauschreaktion auf die Partikel gebracht, wodurch auch die Partikel aus der organischen Synthese wasserl√∂slich wurden. Diese Art Liganden beinhaltet eine zus√§tzliche funktionelle Gruppe zur Funktionalisierung an der Ligandenperipherie. Nur mit 11-Mercaptoundecans√§ure (MUDA) konnten stabile kolloidale L√∂sungen erhalten werden, die f√ľr weitere Modifikationen genutzt werden k√∂nnen. Molek√ľle mit einer Aminogruppe k√∂nnen √ľber EDC/NHS (1-Ethyl-3-(3-dimethymaminopropyl)carbodiimide/N-Hydroxysuccinimide) vermittelte Peptidkupplung auf den Goldnanopartikeln angebracht werden. Vier verschiedene Amine wurden auf Goldnanopartikel mit 14 nm Durchmesser immobilisiert: Histamin (Au-MUDA-HA), Dopamin (Au-MUDA-DA), Serotonin (Au-MUDA-5HT) und Carbachol (Au-MUDA-CB).
Histamin-funktionalisierte Goldnanopartikel mit 14 nm Gr√∂√üe wurden als neue Agonisten in der Ligand-Rezeptor-Wechselwirkung angewendet. Gemessen wurde die Chlorid-Sekretion durch die Stimulierung von neuronalen und epithelialen Histamin H1 und H2 Rezeptoren in Ussing-Kammer-Experimenten gemessen. Im Vergleich zu nativem Histamin f√ľhrte die multivalente Pr√§sentation von Histamin zu einer Potenzierung der Aktivierungsf√§higkeit. Es waren extrem niedrigen Konzentrationen notwendig, um eine Chlorid-Sekretion am Ratten Kolonepithel zu induzieren. Zum Vergleich wurden auch das monovalente Analogon AcS-MUDA-HA und Goldnanopartikel ohne eine aktive Einheit Au-MUDOLS synthetisiert und getestet. Die gemessenen Effekte konnten so Au-MUDA-HA zugeschrieben werden, da beide Referenzen keine Aktivit√§t bei geringen Konzentrationen zeigten. Nur Au-MUDOLS zerst√∂rte das Gewebe irreversibel. Die beobachteten Effekte k√∂nnen durch eine hohe lokale Dichte von Histamin-Einheiten in unmittelbarer N√§he erkl√§rt werden. Die ebenfalls getesteten Goldnanopartikel mit 7 nm und 25 nm Gr√∂√üe zeigten keine konsistenten Ergebnisse und es kann keine Aussage √ľber die Gr√∂√üenabh√§ngigkeit gemacht werden.
Dopamin-funktionalisierte Goldnanopartikel Au-MUDA-DA waren nicht in der Lage, ein Chlorid-Sekretion bei den verabreichten Konzentrationen zu induzieren. Die Farb√§nderung der kolloidalen L√∂sung deutet darauf hin, dass eine Ver√§nderung der Struktur stattgefunden hat. Allerdings zeigte die multivalente Pr√§sentation von Serotonin auf den Goldnanopartikeln Au-MUDA-5HT eine Wirkung. Eine Chlorid-Sekretion konnte in den Ussing-Kammer-Experimenten gemessen werden. Auch hier wurden sehr geringe Konzentrationen f√ľr die Aktivierung der Rezeptoren ben√∂tigt. Das stabile Acetylcholin-Derivat Carbachol immobilisiert auf Goldnanopartikeln Au-MUDA-CB zeigte auch hervorragende Ergebnisse in den Ussing-Kammer-Experimenten. Au-MUDA-CB zeigte eine Antwort im pikomolaren Bereich auf. Goldnanopartikel mit nur freien Carboxylat-Einheiten Au-MUDA waren nicht inert; sie waren in der Lage, Rezeptoren unspezifisch zu aktivieren. Alle gemessenen Effekte k√∂nnen der multivalenten Pr√§sentation der aktiven Einheiten zugeschrieben werden.
Im anderen Teil dieser Arbeit wurden Quantenpunkte (QDs) f√ľr zellul√§re Bildgebung synthetisiert. CdTe- und CdSe- basierte Nanopartikel emittieren im sichtbaren Bereich des Lichtes, wenn ihre Kerngr√∂√üe kleiner als der Exciton-Bohr-Radius ist. QDs wurden direkt in w√§ssriger L√∂sung unter Verwendung verschiedener Mercaptocarbons√§uren als Capping-Liganden synthetisiert. Die optischen Eigenschaften wurden bestimmt. F√ľr die biologischen Anwendungen wurden die QDs mit einer ZnS-Schale ummantelt. Das Vorhandensein der zus√§tzlichen H√ľlle hat nur geringen Einfluss auf die optischen Eigenschaften der Quantenpunkte. Beide passivierten und nicht passivierten Nanopartikel wurden zur zellul√§ren Bildgebung angewendet. Carbons√§uren terminierte QDs zeigten eine bessere Zellaufnahme als die sulfonierten Analogen, passivierte QDs zeigten eine schnellere Zellaufnahme. CdTe/ZnS-TGA (Thioglycols√§ure) wiesen die besten Ergebnisse in der Studie auf.
Zus√§tzlich wurde das tern√§re System, bestehend aus CdTexSe1-x, synthetisiert und charakterisiert. Die optischen Eigenschaften des Mischkristallsystems liegen zwischen den beiden bin√§ren Verbindungen und korrelieren linear mit der Zusammensatzung. In der Gr√∂√üe der QDs lag keine signifikante Abweichung. Diese Synthesemethode kann f√ľr die Feinabstimmung der Emissions-Eigenschaften genutzt werden, ohne dass die Partikelgr√∂√üe dabei ver√§ndert wird, was in einigen biologischen Anwendungen notwendig ist.
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