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Bioanalytik mit magnetischen Nanoteilchen

Magnetische Nanoteilchen (MNP) finden Einsatz in einem weiten Bereich medizinischer und bioanalytischer Anwendungen. Beispiele sind neben den etablierten Anwendungen von MNP als Kontrastmittel in der Kernspintomografie (MRT bzw. MRI) und der magnetischen Separation die lokale Bereitstellung von Medikamenten („magnetic drug delivery“), die magnetische Hyperthermie sowie die Realisierung von Bindungsassays mit MNP als spezifische Marker. Vorteile von MNPs sind, dass sie – im Vergleich zu anderen Markern - stabil und nicht-toxisch sind, durch magnetische Feldgradienten manipuliert und auch in undurchsichtigen Medien, wie Blut, verwendet werden können.

In unserer Arbeitsgruppe beschäftigen wir uns mit der Entwicklung von homogenen Bioanalyseverfahren für die spezifische und quantitative Bestimmung der Konzentration biologischer Targets. Homogene Bioassays haben gegenüber heterogenen die Vorteile, dass keine Auswaschschritte ungebundener Marker erforderlich sind und dass nur ein Antikörper benötigt wird. Dabei dienen superparamagnetische Nanoteilchen aus Eisenoxyd als Marker, die mit hochempfindlichen Magnetfeldsensoren detektiert werden können. Alle von uns verfolgten Methoden für die Realisierung homogener Bioassays basieren auf der Dynamik superparamagnetischer Nanopartikel in einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld. In der Magnetrelaxometrie (MRX) wird das zeitliche Abklingen der magnetischen Momente der MNP nach dem Abschalten eines Magnetisierungsfeldes, der die magnetischen Momente ausrichtet, gemessen. In der Wechselfeld- oder AC-Suszeptibilität (ACS) werden die MNP einem sinusförmigen Wechselfeld konstanter Amplitude ausgesetzt, und aus dem mit LockIn-Technik gemessenen komplexen Detektionssignal werden Real- und Imaginärteil der Suszeptibilität bestimmt. Alternativ zu einem AC-Magnetfeld kann auch ein rotierendes Magnetfeld angelegt werden. In diesem Fall wird der Phasenwinkel zwischen dem Magnetfeld und dem Probenmoment analysiert. Die Magnetic Particle Spektrometrie (MPS) ähnelt in ihrem Grundaufbau der AC-Suszeptibilität. Der Hauptunterschied liegt darin, dass ein sinusförmiges Magnetfeld mit vergleichsweise großer Amplitude angelegt wird, so dass das Detektionssignal aufgrund der Nichtlinearität der Magnetisierungskurve der MNP (beschrieben durch die Langevin-Funktion) auch Harmonische enthält. Die Analyse der Spektren von Harmonischen in Abhängigkeit von der Frequenz des Anregungsfeldes gestattet ebenfalls Informationen über den Bindungszustand der MNP zu gewinnen.

Die Antwort der MNP auf ein zeitlich veränderliches Magnetfeld kann über zwei Mechanismen erfolgen: Beim Brown-Mechanismus rotiert das gesamt Nanopartikel inklusive Hülle und angebundener Biomoleküle. Die Brown-Zeitkonstante ist proportional zur Viskosität des Mediums sowie zum hydrodynamischen Volumen des Partikels. Bei der Néel-Relaxation springt die Magnetisierung des Nanopartikels thermisch aktiviert zwischen den Anisotropieachsen hin und her. Die Néel-Zeitkonstante ist exponentiell mit der Anisotropieenergie verbunden, die das Produkt aus Anisotropiekonstante und Kernvolumen ist. Sind beide Mechanismen möglich, dominiert derjenige mit der kleineren Zeitkonstante. Verschiedene Szenarien für die Realisierung homogener, auf der MNP-Dynamik basierter Bindungsassays sind in Abb. 1 dargestellt. Die Realisierung homogener Flüssigphasenassays basiert auf der Vergrößerung der Brown-Zeitkonstante der MNP durch die Anbindung der biologischen Targets. Die gebundenen können von den ungebundenen MNP durch ihre unterschiedliche Zeitkonstante getrennt werden so das keine Auswaschschritte erforderlich sind.

Wie Abb. 1 zu entnehmen ist, sind für die Realisierung homogener Bioassays mit MNP nur Nanopartikel mit optimalen Eigenschaften geeignet. Sie dürfen nicht zu klein sein, da die Relaxation ansonsten nur über den internen Néel-Mechanismus erfolgt, so dass keine Informationen über den Bindungszustand im Signal enthalten sind. Eine breite Größenverteilung der Nanopartikel führt des Weiteren zu einer „Verschmierung“ der Effekte. Insofern verwenden wir in unserer Arbeitsgruppe die oben genannten Messtechniken auch zu umfassenden Charakterisierung der magnetischen Nanopartikel sowie von deren kolloidaler Stabilität. Des Weiteren arbeiten wir auch an der Herstellung von magnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln mit optimalen Eigenschaften.

Abb.1

Die oben genannten Messmethoden werden auch zur routinemäßigen und umfassenden magnetischen Charakterisierung von MNP sowie von deren Stabilität eingesetzt.

Die genannten Messmethoden sind integral, d.h. sie liefern weder Informationen über die Eigenschaften einzelner Nanopartikel noch ein Ortsauflösung. Imaging spielt auch bei der Anwendung magnetischer Nanopartikel im Bereich der Biomedizin eine zunehmende Rolle. Im Rahmen des vom BMWi geförderten INNOSURF-Projektes haben wir das Verfahren der Magnetrelaxometrie mit einer 2D-Bildgebung kombiniert. Ziel war es, die Innenbeschichtung von Zellkulturbeuteln auf ihre Homogenität und Langzeitstabilität zu untersuchen, ohne die Beutel dazu aufzuschneiden. Ein weiteres Verfahren, das das Potential für die Echtzeitmessung der 3D-Verteilung magnetischer Nanopartikel bei einer Ortsauflösung < 1 mm besitzt, ist das Magnetic Particle Imaging (MPI). Wie auch das MPS, das als 0D-MPI bezeichnet werden kann, basiert das MPI auf der nichtlinearen M-H-Kennlinie magnetischer Nanopartikel. Das MPI wurde 2005 von Forschern der Philips-Forschungslaboratorien in Hamburg erstmalig im Wissenschaftsjournal Nature publiziert. Inzwischen wurden an Mäusen und Kaninchen Echtzeitbilder vom schlagenden Herz nach der Injektion von Suspensionen magnetischer Nanopartikel demonstriert. Auch am Institut forschen wir seit mehreren Jahren an der Entwicklung eines 3D-MPI-Systems an Mäusen, wobei unser Fokus auf dem so genannten „mobility MPI“ liegt, das Potential für die getrennte räumliche Darstellung von gebundenen und ungebundenen magnetischen Markern besitzt.

Kontakt: Dr. rer. nat. F. Ludwig