Quantitative Einzelmolekül-Charakterisierung der cytosolischen Freisetzung von Nanopartikel-Cargo mittels mehrfarben und drei-dimensionalem dSTORM (B07#)

• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316213987

Ein Hauptziel der zweiten Förderperiode des SFB 1278 ist die Entwicklung eines prädiktiven Struktur- Funktions- und Struktur-Aktivitäts-Korrelationsmodells, das die gezielte Freisetzung von Nanopartikeln (NP) und deren Cargo mit optimierter Effizienz bei minimierter Dosierung und damit geringer Zytotoxizität ermöglicht. Der Prozess der Freisetzung von Nanopartikeln und deren Cargo, und somit Ansatzpunkte für dessen Optimierung, kann in drei Stufen unterteilt werden: Der erste Schritt ist die durch die Plasmamembran vermittelte NP-Aufnahme, die bereits Gegenstand intensiver Studien in zahlreichen Projekten des SFB 1278 ist. Der zweite und dritte Schritt, d. h. die Dissoziation von NPs und Cargo in intrazellulären (endosomalen) Kompartimenten und ihre anschließende zytosolische Freisetzung, sind jedoch nach wie vor nicht verstanden. Eine Schlüsselfrage ist hier, ob NPs generell so entworfen werden können, dass sie bevorzugt in spezifische (endosomale) Kompartimente sortiert werden, die sowohl den effektiven Zerfall der NPs als auch die zytosolische Freisetzung von Cargo fördern. Zur Unterstützung der laufenden Aktivitäten im Rahmen des SFB 1278 werden wir unsere Toolbox von mehrfarben und dreidimensionalen dSTORM und dazugehörigen Auswertealgorithmen auf der Grundlage unserer früheren Arbeiten anpassen und anwenden, um das intrazelluläre und zytosolische Schicksal von NPs und deren Cargo (z.B. DNA, siRNA, mRNA, aber auch andere kleine Moleküle wie entzündungshemmende und antivirale Medikamente) quantitativ auf der Nanometerskala zu untersuchen, mit dem Hauptziel, endosomale Kompartimente zu identifizieren, die eine effektive zytosolische Freisetzung im Hinblick auf moderate zytotoxische Effekte ermöglichen. Insbesondere werden wir die nanometergenaue Lokalisierung von NPs und NP-Cargo in Kontext mit frühen, früh-recycelnden und abbauenden endosomalen Kompartimenten systematisch untersuchen und die Menge an freigesetzter zytosolischer NP und NP-Cargo mit Einzelmolekülsensitivität quantifizieren. Wir werden so entschlüsseln, ob bestimmte NP-Parameter zu einer bevorzugten Sortierung in endosomale Recycling-Tubuli führen, welche wir in unseren Vorarbeiten als produktiv für die zytosolische Freisetzung von Cargo identifiziert haben. Die vorhandenen NP-Bibliotheken des SFB 1278 bieten uns die ideale Grundlage, um den Parameterraum unterschiedlicher NP-Materialzusammensetzungen, Oberflächenmodifikationen, Größen, Ladungsgehalte und Fluoreszenzmarkierungen systematisch zu screenen und deren genaue intrazellulare Lokalisierung zu visualisieren und die zytosolischen Freisetzungseigenschaften der verschiedenen NPs auf der Nanometerskala in verschiedenen, für den SFB 1278 relevanten Zelllinien und Modellsystemen zu quantifizieren, um letztlich einen allgemeinen zytosolischen Entweichungsmechanismus für NP-Ladung über endosomale Recycling-Tubuli aufzudecken.

• DFG-Verfahren: Sonderforschungsbereiche
• Teilprojekt zu: SFB 1278: Polymerbasierte Nanopartikel-Bibliotheken für die Entwicklung zielgerichteter anti-inflammatorischer Strategien
• Antragstellende Institution: Friedrich-Schiller-Universität Jena
• Teilprojektleiter: Professor Dr. Christian Franke, seit 7/2022