Zu den vielen Anwendungen von Graphen-Nanomaterialien gehören solche im Bereich der Medizin, von Krebstherapien über Tissue Engineering bis hin zum Gentransfer.

Wechselwirkungen zwischen Graphenoxid und 15 Zelltypen

Die größte Barriere, die Produkte aus diesen Materialien überwinden müssen, ist die Reaktion des Immunsystems. Jetzt haben europäische Forscher analysiert, wie sich unsere Abwehrkräfte in Gegenwart von Graphenoxid verhalten.

Graphenoxid, die oxidierte Form von Graphen, ist ein Kohlenstoffmaterial mit außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften, das in der Medizin als neuartiges diagnostisches und therapeutisches Werkzeug eingesetzt werden könnte. Doch bevor dieser Schritt getan werden kann, müssen die Wissenschaftler erst einmal verstehen, wie es mit den Immunzellen interagiert, die unseren Körper vor Eindringlingen schützen.

Forscher der Universitäten von Sassari und Rom Tor Vergata (Italien), des französischen CNRS und anderer europäischer Zentren haben eine experimentelle Umgebung entwickelt, um die komplexen Wechselwirkungen zwischen Graphenoxid und 15 Zelltypen unseres Immunsystems, wie T-Lymphozyten, Leukozyten, Monozyten, NK-Zellen und dendritischen Zellen, zu charakterisieren.

Die Daten aus der Studie, die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurden, unterstreichen die Bedeutung der Funktionalisierung” von Graphen-basierten Nanomaterialien durch das Hinzufügen anderer Moleküle, wie z.B. Aminogruppen, auf ihrer Oberfläche, um sie kompatibler mit menschlichen Immunzellen zu machen.

“Konkret haben wir mit Hilfe der Einzelzell-Massenzytometrie analysiert, wie Graphenoxid auf diese Zellen wirkt und ob Veränderungen auftreten, wenn es ‘funktionalisiert’ wird, also an andere Substanzen bindet”, sagt Lucia Gemma Delogu, Mitautorin und Forscherin an der Universität Sassari.

Die Massenzytometrie ermöglicht es, Subpopulationen von Immunzellen und spezifische Proteine dieser Zellen, sowohl auf ihrer Oberfläche als auch in ihrem Inneren, mit enormer Präzision zu erkennen. Mit dieser Methode haben die Forscher mehr als dreißig Zellmarker messen können.

“Wir haben festgestellt, dass mit Aminogruppen funktionalisiertes Graphen seine Biokompatibilität im Vergleich zu normalem Graphenoxid erhöht”, sagt Delague. “Darüber hinaus konnten wir spezifische Stimuli von funktionalisiertem Graphen in zwei Zelltypen identifizieren: Monozyten und dendritische Zellen”.

Auch sogenannte Transkriptomanalysen wurden durchgeführt, um zu sehen, wie die Expression von Immunzellgenen verändert wird. Die Ergebnisse bestätigen, dass die Aminogruppen die durch Graphenoxid verursachten Störungen im Zellstoffwechsel reduzieren und damit die Biokompatibilität dieses Materials erhöhen.

Biomedizinische Nanoplattformen aus Graphen

“Eine positive Auswirkung von Graphenoxid auf bestimmte Immunzellen kann als Ausgangspunkt für die Entwicklung biomedizinischer Plattformen dienen, die auf diesem Material im Nanomaßstab basieren, wie z. B. neue Immuntherapien, Impfstoffträger und Nanoadjuvantien”, sagt Delogu, der daran erinnert, dass Graphen-Nanomaterialien die “Möglichkeit” haben, mit Medikamenten und anderen Molekülen auf ihrer Oberfläche zu konjugieren, “was die Funktion und Spezifität des Medikaments auf dem Ziel von Interesse verbessert”.

Der Forscher besteht darauf, dass die Entdeckung der am besten geeigneten “Funktionalisierungen” von Graphen wesentlich sein wird, um bei diesen und anderen Anwendungen in der Medizin voranzukommen: Krebstherapien, Diagnosewerkzeuge für Krankheiten, Tissue Engineering, Übertragung von genetischem Material sowie im kombinierten Bereich der biomedizinischen Bildgebung und der Neurowissenschaften.

Diese Studie ist Teil des G-IMMUNOMICS Projekts innerhalb der größeren europäischen Graphene Flagship Initiative. Mit Hilfe von immungenomischen und Proteindaten soll Graphen sicher in der Medizin und anderswo eingesetzt werden können, wobei die Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt minimiert werden sollen. Seine Wirkung wird derzeit nicht nur in menschlichen Zellen, sondern auch in denen von Schweinen, Mäusen und dem Wurm C. elegans analysiert.

Telegra.ph, 27.12.2021