Selektive antibakterielle Silber-Gold-Legierungsnanopartikel, konjugiert mit zielspezifischen Aptamersequenzen
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Implantat-assoziierte Infektionen stellen nach wie vor eine ernstzunehmende Herausforderung in der Medizin dar. Sie entstehen durch die Kolonisierung der Implantatoberflächen mit Bakterien, welche sich in resistenten Biofilmen organisieren. Bisherige therapeutische Ansätze sind häufig dahingehend limitiert, dass ihre Wirkung auf Bakterien auch mit einer Gefährdung humaner Zellen einhergeht. Um dieses Problem zu adressieren, wurden in diesem Projekt Silber-Gold-Legierungsnanopartikel (AgAu-NP)-Aptamer Konjugate entwickelt, welche I) antimikrobielle Silberionen freisetzen und II) über ein spezifisches Aptamer an pathogene Bakterien im Biofilm binden. Eine größenkontrollierte Synthese der AgAu-NP konnte mittels Laserablation in Flüssigkeiten erreicht werden. Mittels XPS und Zyklovoltammetrie wurde die Partikel-Oberflächenzusammensetzung detailliert analysiert und es wurde ein Protokoll zur Konjugation von thiolisierten Aptameren an AgAu-NP sowie In-vitro-Funktionsassays für die Konjugate entwickelt. Es zeigte sich, dass die maximale Funktionalität weitgehend unabhängig vom Verhältnis Ag:Au im Partikel war, allerdings konnte die literaturvorhergesagte selektive Anbindung der Konjugate an das Target-Protein A nicht reproduziert werden. Die Untersuchung der Ionenfreisetzung in Gelphantomen zeigte eine deutliche Reduktion in Gegenwart der Aptamerliganden. In komplettierenden Einzelpartikel-Spektroskopie-Untersuchungen zusammen mit dem Mercator Fellow Stephan Link wurde erstmals die zusammensetzungsabhängige Partikelauflösung hyperspektral analysiert sowie ein zweistufiges Modell zur Auflösungskinetik von AgAu-NP abgeleitet. Die Analyse der biologischen Wirkung der AgAu-NP und entsprechender Konjugate zeigten antibakterielle Effekte gegen Staphylococcus aureus und Porphyromonas gingivalis. In detaillierten Untersuchungen konnte eine Abhängigkeit des Effekts von der Nanopartikelkonzentration und der bakteriellen Wachstumsphase, insbesondere der Biofilmbildung, nachgewiesen werden. Mithilfe von Aktivitätsassays, Membranfärbungen und Genexpressionsanalysen konnte der bakterielle Stoffwechsel als Hauptangriffspunkt der AgAu-NP identifiziert werden. Die Nanopartikel wiesen auch zytotoxische Effekte gegenüber humanen Fibroblasten und Keratinozyten auf, welche jedoch bei Kokultivierung von Zellen und Bakterien abgeschwächt wurden. Insgesamt konnten in diesem Projekt grundlegende chemische und biologische Erkenntnisse zu AgAu-NP als Antibiotika-Alternative gewonnen und Schlüsselansätze für eine Weiterentwicklung in Richtung einer klinischen Anwendung identifiziert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
How does nano-silver get inside bacteria? Mechanistic studies using AgAu alloy nanoparticles. Abstracts of Papers of the American Chemical Society 2019, 257. Conference Talk
Rehbock, C.; Streich, C.; Jakobi, J.; Grade, S.; Kuhnel, M.; Migunov, V.; Knura, T.; Sures, B.; Stiesch, M. & Barcikowski, S.
-
Selective Aerobic Oxidation of 5‐(Hydroxymethyl)furfural over Heterogeneous Silver‐Gold Nanoparticle Catalysts. Advanced Synthesis & Catalysis, 362(24), 5681-5696.
Schade, Oliver R.; Stein, Frederic; Reichenberger, Sven; Gaur, Abhijeet; Saraҫi, Erisa; Barcikowski, Stephan & Grunwaldt, Jan‐Dierk
-
Antibacterial properties of AgAu-nanoparticles produced by laser ablation. Annual Meeting of the German Society for Biomaterials, 2021. Conference Poster
Heine N., Stein F., Doll K., Winkel A., Rehbock C., Barcikowski S. & Stiesch M.
-
Influence of Gold/Silver Ratio in Ablative Nanoparticles on Their Interaction with Aptamers and Functionality of the Obtained Conjugates. Bioconjugate Chemistry, 32(11), 2439-2446.
Stein, Frederic; Schielke, Andreas; Barcikowski, Stephan & Rehbock, Christoph
-
Single-Particle Hyperspectral Imaging Reveals Kinetics of Silver Ion Leaching from Alloy Nanoparticles. ACS Nano, 15(5), 8363-8375.
Al-Zubeidi, Alexander; Stein, Frederic; Flatebo, Charlotte; Rehbock, Christoph; Hosseini, Jebeli Seyyed Ali; Landes, Christy F.; Barcikowski, Stephan & Link, Stephan
-
Antibacterial and cytotoxic properties of AgAu-nanoparticles produced by laser ablation in a co-culture model. Annual Meeting of the German Society for Biomaterials, 2022. Conference Poster and Talk
Heine N., Stein F., Kheirmand-Parizi M., Doll K., Winkel A., Rehbock C., Barcikowski S. & Stiesch M.
-
Anti-Biofilm Properties of Laser-Synthesized, Ultrapure Silver-Gold-Alloy Nanoparticles against Staphylococcus aureus. Research Square Platform LLC.
Heine, Nils; Doll-Nikutta, Katharina; Stein, Frederic; Jakobi, Jurij; Ingendoh-Tsakmakidis, Alexandra; Rehbock, Christoph; Winkel, Andreas; Barcikowski, Stephan & Stiesch, Meike
-
Bacteria‐Epithelial Cell Interaction Influences Cytotoxicity and Antibacterial Effect of Silver‐Gold Alloy Nanoparticles on a Species‐Specific Level. ChemNanoMat, 10(2).
Doll‐Nikutta, Katharina; Heine, Nils; Kheirmand‐Parizi, Marjan; Stein, Frederic; Ulrich, Jennifer; Rehbock, Christoph; Winkel, Andreas; Barcikowski, Stephan & Stiesch, Meike
-
Disproportional surface segregation in ligand-free gold–silver alloy solid solution nanoparticles, and its implication for catalysis and biomedicine. Faraday Discussions, 242(2023), 301-325.
Stein, Frederic; Kohsakowski, Sebastian; Martinez-Hincapie, Ricardo; Reichenberger, Sven; Rehbock, Christoph; Colic, Viktor; Guay, Daniel & Barcikowski, Stephan
-
The Origin of the Intracellular Silver in Bacteria: A Comprehensive Study using Targeting Gold–Silver Alloy Nanoparticles. Advanced Healthcare Materials, 12(30).
Streich, Carmen; Stein, Frederic; Jakobi, Jurij; Ingendoh‐Tsakmakidis, Alexandra; Heine, Nils; Rehbock, Christoph; Winkel, Andreas; Grade, Sebastian; Kühnel, Mark; Migunov, Vadim; Kovács, András; Knura, Thomas; Stiesch, Meike; Sures, Bernd & Barcikowski, Stephan
