A3 Zelluläre Aufnahme und Translokation

Thema

Die Wechselwirkung dieses Nanopartikels mit der Zellmembran hängt – anders als in der konventionellen chemischen Toxikologie für die meisten Substanzen angenommen – nicht von seiner Masse ab, sondern von seiner Größe und Oberflächenenergie. Laut Desernos Modell bestimmen diese beiden Faktoren – Größe und Oberflächenenergie des Nanopartikels – die Membranhüllenergie, die die Zellmembran aufwenden muss, um ihn vollständig zu umschließen. Ein größeres Nanopartikel oder eines mit höherer Oberflächenenergie führt demnach zu einer höheren Membranhüllenergie.

Diese Membranhüllenergie kann jedoch nicht unbegrenzt die Energie überschreiten, die der Zellmembran selbst zur Verfügung steht, um sich um das Nanopartikel zu verformen. Folglich definiert diese minimale verfügbare Hüllenergie einen kritischen Einfangradius für das Nanopartikel: die maximale Größe, die das Nanopartikel haben kann, ohne dass die Zellmembran noch über genügend Energie für eine vollständige Umhüllung verfügt. Die Tatsache, dass diese minimale verfügbare Aufnahmeenergie in dieser Zellmembran größer ist, führt auch zu einem größeren kritischen Aufnahmeradius, wodurch größere Nanopartikel aufgenommen werden können.

Dieses Modell, das auf der Größe und Oberflächenenergie des Nanopartikels basiert, zeigt, dass das Erreichen eines kritischen Aufnahmeradius – ohne diesen zu überschreiten – die Voraussetzung für die effiziente Internalisierung des Nanopartikels durch Endozytose ist: Ein Nanopartikel unterhalb dieses kritischen Radius, dessen Größe und Oberflächenenergie es der Zellmembran ermöglichen, ihn vollständig aufzunehmen, wird effizient internalisiert, während ein Nanopartikel oberhalb dieses Radius für diesen Internalisierungsweg unerreichbar bleibt. Da diese Bedingung somit von der Größe und Oberflächenenergie des Nanopartikels und nicht von seiner Masse abhängt, können zwei Nanopartikel gleicher Masse, aber unterschiedlicher Größe oder Oberflächenenergie völlig unterschiedliche Reaktionen zeigen, wenn sie auf dieselbe Zellmembran treffen. Und da diese Oberflächenenergie gemäß einem anderen Modell dieser Reihe durch Funktionalisierung der Nanopartikeloberfläche gezielt verändert werden kann, bestimmt diese Funktionalisierung letztendlich die Biokompatibilität des Nanopartikels im Hinblick auf diese effiziente Internalisierungsbedingung.

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