Konfokales Lasermikroskop mit Live-Cell-Imaging und Superresolution
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Arbeitsgruppe Schubert beschäftigt sich unter anderem mit der Synthese und Anwendung maßgeschneiderter Polymer-basierter, supramolekularer Materialien und Nanoobjekte (z.B. Nanopartikel, Nanomaterialien, assemblierte Nanostrukturen). Vor allem für die Entwicklungen und Herstellung pharmazeutischer Wirkstofftransportsysteme und funktioneller Mikro- und Nanostrukturen ist dabei das Verständnis der molekularen Zusammenhänge essentiell. Die Kontrolle ihrer Transporteigenschaften, ihrer biologischen Aktivität, ihrer Stabilität und der Interaktion mit biologischem Material wird dabei maßgeblich durch die Zusammensetzung der Polymere bestimmt. Die Untersuchung der funktionellen Eigenschaften der hergestellten Polymerstrukturen in Bezug auf deren biologischen Wirkung erfolgt in der Arbeitsgruppe mittels verschiedener Methoden –- das konfokale Lebendzell-Laserscanningmikroskop mit Höchstauflösungsfunktion spielt dabei eine wichtige Rolle bei einer Anzahl an laufenden Projekten und konnte erfolgreich für die Generierung neuer Projektansätze genutzt werden. Die Kombination von hochauflösender mit Lebendzell-Mikroskopie ermöglicht die Untersuchung von Nanomaterialien unter physiologischen Bedingungen und fördert somit das Verständnis der Phänomene zwischen den Disziplinen Chemie, Biologie und Physik. Durch die gewonnenen Erkenntnisse konnten verbesserte Synthesen und Architekturen von neuen supramolekularen und polymeren (Block-) Copolymeren mit den benötigten und gewünschten Eigenschaften entworfen und Herstellungsmethoden optimiert werden – auf diese Weise wurden wertvolle Erkenntnisse zur Ermittlung von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen gewonnen. Im Vordergrund der mikroskopischen Analysen stehen dabei Studien zur zellulären Aufnahme von polymeren Nanopartikeln, Mizellen und anderen Nanocontainern sowie deren intrazelluläre Verteilung und Kolokalisation mit Zellorganellen. Neben Untersuchungen zu den Aufnahmewegen ist dabei v.a. auch die Freisetzung und Wirkung der transportierten Ladung (Medikamente, Nukleinsäuren, Diagnostika etc.) sowie der Verbleib und Abbau der polymeren Transporter von Interesse. Mithilfe konfokaler optischer Schnitte konnten selbst makroskopische Objekte wie bspw. Zell-Sphäroide detailliert analysiert werden. Diese Zellaggregate werden zur Zeit als Tumor-Organoidmodelle etabliert, um so z.B. die Wirkung pharmazeutischer Nanocarrier in vitro zu testen. Darüber hinaus konnte die leistungsfähige Laserausstattung des Mikroskops in Kombination mit den hochsensitiven Detektoren zur Untersuchung histologischer Proben aus Tierversuchen mit fluoreszierenden Therapeutika genutzt werden. Auf diese Weise erreichte man eine Bestimmung der in vivo Verteilung und Anreicherung der Proben. Neben biologischen Proben wird das Mikroskop zunehmend auch zur Beantwortung materialwissenschaftlicher Fragestellungen herangezogen. So war es zum Beispiel möglich, die Heilungseffizienz selbstheilender Materialien durch den kovalenten Einbau fluoreszierender Reporterstrukturen auf molekularer Ebene quantifizierbar zu machen und somit die Defektheilung valide optisch zu erfassen. Ähnlichen Erfolg hatte auch die Nutzung von FRET-Effekten als Indikator einer molekularen Bindungsbildung, welche mittels der Laserscanningmikroskopie erfasst werden konnte. Für die Nutzung der Höchstauflösungsfunktion des Mikroskops konnten erfolgreich Proben generiert werden. Für die PALM Technologie wurden spezielle Konstrukte für die Transfektion von Zellen entwickelt, die es ermöglichen, zelluläre Strukturen wie z.B. Mitochondrien oder Lysosomen hochaufgelöst darzustellen. Des Weiteren erfolgte die Testung konventioneller Fluoreszenz-Farbstoffe auf deren Eignung zur Nutzung der STORM Technologie – um auf diese Weise in zukünftigen Arbeiten die Kolokalisation von z.B. farbstoffmarkierten Nanopartikeln mit definierten Zellstrukturen zu erforschen. Intensive Bemühungen werden darüber hinaus unternommen, um die Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie an identischen Proben durchzuführen und diese sog, korrelative Mikroskopie zu nutzen, um z.B. Struktur-Wirkungsbeziehungen detailliert aufklären zu können. Das CLSM war von zentraler Bedeutung bei der erfolgreichen Einrichtung des SFB 1278 („PolyTarget“) und stellt ein essentielles Asset bei der Bearbeitung einer Vielzahl von SFB Teilprojekten dar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- D-Fructose-decorated poly(ethylene imine) for human breast cancer cell targeting. Macromolecular Bioscience 2017, 1600502
C. Englert, M. Prohl, J. Czaplewska, C. Fritzsche, E. Preussger, U. S. Schubert, A. Traeger, M. Gottschaldt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/mabi.201600502) - Polymersomes with endosomal pH-induced vesicle-to-micelle morphology transition and a potential application for controlled doxorubicin delivery. Biomacromolecules 2017, 18, 3280-3290
T. Yildirim, A. Traeger, P. Sungur, S. Hoeppener, C. Kellner, I. Yildirim, D. Pretzel, S. Schubert, U. S. Schubert
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.biomac.7b0093t) - 3rd Generation poly(ethylene imine)s for gene delivery. Journal of Materials Chemistry B, 2018, 5, 1258-1274
T. Bus, C. Englert, M. Reifarth, P. Borchers, M. Hartlieb, A. Vollrath, S. Hoeppener, A. Traeger, U. S. Schubert
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c6tb02592g) - Comparison of random and gradient amino functionalized poly(2-oxazoline)s: Can the transfection efficiency be tuned by the macromolecular structure? Journal of Polymer Science Part A-Polymer Chemistry, 2018, 56, 1210-1224
D. Hertz, M. N. Leiske, T. Wloka, A. Traeger, M. Hartlieb, M. Kessels, S. Schubert, B. Qualmann, U. S. Schubert
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pola.29000) - Conjugated oligomers as fluorescence marker for the determination of the self-healing efficiency in mussel-Inspired polymers. Chemistry of Materials 2018, 30, 2791-2799
J. Ahner, D. Pretzel, M. Enke, R. Geitner, S. Zechel, J. Popp, U. S. Schubert, M. Hager
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.8b00623) - How to tune the gene delivery and biocompatibility of poly(2-(4-aminobutyl)-2-oxazoline) by self- and coassembly Biomacromolecules 2018, 19, 748-760
M. Leiske, F. Sobotta, F. Richter, S. Hoeppener, J. Brendel, A. Traeger, A, U. S. Schubert
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.biomac.7b01535) - Photocontrolled release of chemicals from nano- and microparticle containers. Angewandte Chemie-International Edition 2018, 57, 2479-2482
C. Englert, I. Nischang, C. Bader, P. Borchers, J. Alex, M. Proehl, M. Hentschel, M. Hartlieb, A. Traeger, G. Pohnert, S. Schubert, M. Gottschaldt, U. S. Schubert
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/anie.201710756) - Spherical and worm-like micelles from fructose-functionalized polyether block copolymers. Macromolecular Bioscience 2018, 18, 1700396
T. Majdanski, D. Pretzel, J. Czaplewska, J. Vitz, P. Sungur, S. Hoeppener, S. Schubert, F. Schacher, U. Schubert, M. Gottschaldt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/mabi.201700396) - The power of shielding: Low toxicity and high transfection performance of cationic graft copolymers containing poly(2-oxazoline) side chains. Biomacromolecules 2018, 19, 2759-2771
A. Trutzschler, T. Bus, M. Sahn, M, A. Traeger, C. Weber, U. S. Schubert
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acsbiomac.8b00362s) - Thermally switchable fluorescence resonance energy transfer via reversible Diels-Alder reaction of pi-conjugated oligo(phenylene ethynylene)s. Macromolecular Rapid Communications 2018, 39, 1700789
J. Ahner, J. Dahlke, D. Pretzel, U. S. Schubert, B. Dietzek, M. Hager
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/marc.201700789)
