Einfluss der Proteincorona auf Metalloxid-Nanopartikel-induzierte Toxizitätsmechanismen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Neben dem industriellen Einsatz von Nanomaterialien (NMs) nehmen ihre biotechnologischen/biomedizinischen Anwendungen einschließlich der Bekämpfung mikrobieller Schädlinge zu. Obwohl beide Entwicklungen zu einer zunehmenden Exposition des Menschen und Umwelt führen, ist unser derzeitiges mechanistisches Verständnis über die Vorgänge an Nano-Bio-Grenzflächen sowie mögliche "nanotoxikologische" Mechanismen noch lückenhaft. Neben der Möglichkeit, physiologische Systeme grundlegend so besser zu verstehen, stellt dieses Wissen die Voraussetzung für eine effektive und sichere angewandte Nanotechnologie dar. NM adsorbieren beim Kontakt mit biologischen Umgebungen rasch Biomoleküle und bilden die sogenannte „NM-Biomolekül Corona“. Die Biomolekül-Corona beeinflusst nicht nur die Nanotoxikologie, sondern auch den Erfolg und die Sicherheit nano-biotechnologischer/- biomedizinischer Anwendungen. Daher ist es wissenschaftlich wie anwendungsbezogen wichtig, den Einfluss sowie die grundlegenden Mechanismen, über welche die Biomolekül-Corona Nano-Bio-Grenzflächen beeinflussen, zu untersuchen und besser zu verstehen. Durch die Kombination gut charakterisierter NM-Modelle, einschließlich Metall(oxid)- sowie unterschiedlicher anderer NM, mit innovativen analytischen Methoden sowie in vitro- (Ko-Kultur) und in vivo-Expositionsmodellen, zielte unser Vorhaben darauf ab, neue Einsichten zu erarbeiten, auf welche Weise die Biomolekül-Corona Nano-Bio Grenzflächen beeinflusst. Diese Erkenntnisse könnten zur Verbesserung nanotechnologischer Anwendungen beitragen. Um Wissenslücken zu schließen, untersuchten wir in unserem Projekt diese Fragestellungen durch Anwendung verschiedenster interdisziplinärer experimenteller Methoden wie intravital-/EM-/HTS- Mikroskopie, Proteomics, Bioinformatik sowie in vitro- (Ko-Kultur) und in vivo-Expositionsmodellen. Zusammenfassend konnten unsere Arbeiten zeigen, dass: • sich die Biomolekül-Corona an NM bildet und (teilweise) deren physiko-chemischen Eigenschaften und Wechselwirkungen mit Nano-Bio Grenzflächen beeinflusst sowie potenzielle neuartige nanotoxikologische Mechanismen identifizieren. Dies betrifft verschiedenste biologische Prozesse, einschließlich zelluläre Maschinen wie Proteasen oder dem Proteasom. • sich NM an bakterielle sowie mykotische Pathogene anlagern und dadurch Biomolekül-Corona-abhängig die (Patho)biologie der Mikroorganismen beeinflussen können. • Zusätzlich wurden zellbasierte HTS-Verfahren etabliert. Die Ergebnisse belegen, dass NM-vermittelte zytotoxische Effekte und Stressantworten durch die Biomolekül-Corona primär vermindert und nicht zusätzlich induziert werden. Die beobachteten Effekte scheinen daher hauptsächlich über physikalische Abschirmung und weniger durch die (patho)biologischen Eigenschaften einzelner Corona-Proteine vermittelt zu werden. Das in unserem Vorhaben erarbeitete Wissen verbessert nicht nur unsere Kenntnisse über grundlegende Biomolekül-Corona-beeinflusste (Toxizität)Prozesse an Nano-Bio-Schnittstellen, sondern kann auch dazu beitragen, die Herstellung von NM mit erhöhter Wirksamkeit, Sicherheit und Biokompatibilität zu ermöglichen. Die Ergebnisse des Vorhabens und generierten Modellsysteme bilden die Grundlage für einen weiterführenden Projektantrag.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2017. Synthesis and Characterization of Stimuli-Responsive Star-Like Polypept(o)ides: Introducing Biodegradable PeptoStars. Macromol Biosci 17
Holm, R., Weber, B., Heller, P., Klinker, K., Westmeier, D., Docter, D., Stauber, R.H., Barz, M.
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2018. Changing environments and biomolecule coronas: consequences and challenges for the design of environmentally acceptable engineered NPs. Green Chemistry 20, 4133-4168
Markiewicz, M., Kumirska, J., Lynch, I., Matzke, M., Köser, J., Bemowsky, S., Docter, D., Stauber, R.H., Westmeier, D., Stolte, S.
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2018. Nanoparticle binding attenuates the pathobiology of gastric cancerassociated Helicobacter pylori. Nanoscale 10, 1453-1463
Westmeier, D., Posselt, G., Hahlbrock, A., Bartfeld, S., Vallet, C., Abfalter, C., Docter, D., Knauer, S.K., Wessler, S., Stauber, R.H.
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2018. Nanoparticle decoration impacts airborne fungal pathobiology. Proc Natl Acad Sci U S A 115, 7087-7092
Westmeier, D., Solouk-Saran, D., Vallet, C., Siemer, S., Docter, D., Gotz, H., Mann, L., Hasenberg, A., Hahlbrock, A., Erler, K., Reinhardt, C., Schilling, O., Becker, S., Gunzer, M., Hasenberg, M., Knauer, S.K., Stauber, R.H.
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2018. Small Meets Smaller: Effects of NMs on Microbial Biology, Pathology, and Ecology. ACS Nano 12, 6351-6359
Stauber, R.H., Siemer, S., Becker, S., Ding, G.B., Strieth, S., Knauer, S.K.
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2018. The effect of saliva on the fate of NPs. Clin Oral Investig 22, 929-940
Teubl, B.J., Stojkovic, B., Docter, D., Pritz, E., Leitinger, G., Poberaj, I., Prassl, R., Stauber, R.H., Frohlich, E., Khinast, J.G., Roblegg, E.
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2019. Biomolecule-corona formation confers resistance of bacteria to nanoparticle-induced killing: Implications for the design of improved nanoantibiotics. Biomaterials 192, 551-559
Siemer, S., Westmeier, D., Barz, M., Eckrich, J., Wunsch, D., Seckert, C., Thyssen, C., Schilling, O., Hasenberg, M., Pang, C., Docter, D., Knauer, S.K., Stauber, R.H., Strieth, S.
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2020. Mechanisms of nanotoxicity - Biomolecule coronas protect pathological fungi against nanoparticle-based erradiation. Nanotoxicology
Roland H. Stauber , Dana Westmeier , Madita Wandrey , Sven Becker , Dominic Docter , Guo-Bin Ding , Eckhard Thines , Shirley K. Knauer & Svenja Siemer
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2020. The Other Side of the Corona: NPs Inhibit the Protease Taspase1 in a Size- Dependent Manner. Nanoscale
van den Boom, J., Hensel, A., Trusch, F., Matena, A., Siemer, S., Guel, D., Docter, D., Höing, A., Bayer, P., Stauber, R.H., Knauer, S.K.
