Auf die Form kommt es an

Lebende Zellen sind von einer schützenden Hülle umgeben, der Zellmembran. Sie bildet jedoch keine starre Barriere, sondern ist leicht verformbar, ähnlich wie die Haut einer Seifenblase. Um Nährstoffe aus ihrer Umgebung aufzunehmen und Stoffwechselprodukte auszuscheiden, kann die Zelle ihre Membran um große Moleküle und Nanoteilchen wickeln und winzige Bläschen abschnüren, die dann in die Zellen hinein oder aus ihnen hinaus gelangen. Diesen Weg möchten sich Mediziner für die Bekämpfung etwa von Krebs zunutze machen und Wirkstoffe so in Form von Nanomedikamenten verpacken, dass sie nur in kranke Zellen eindringen und dort ihre heilsame Wirkung entfalten. Dies würde Nebenwirkungen drastisch reduzieren.

Nanopartikel sind etwa 80 000 Mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Jülicher Physiker zeigten nun mit Hilfe von Computersimulationen, dass die Form der winzigen Teilchen die Aufnahme in Zellen entscheidend beeinflusst. „Physikalisch streben Teilchen und Membran eine möglichst große Kontaktfläche bei möglichst geringer Verbiegung an“, erläutert Dr. Thorsten Auth vom Jülicher Institute of Complex Systems die Grundlage ihrer Berechnungen. „Nur wenn die Adhäsionsstärke zwischen Teilchen und Membranoberfläche groß genug ist, kann die Biegesteifigkeit der Membran überwunden und das Teilchen von der Membran umhüllt werden.“ Die Forscher nutzten ein Modell, das nur die Größe und Form der Teilchen, die Biegesteifigkeit der Membran sowie die Bindefreudigkeit zwischen Teilchen und Membran berücksichtigt. Damit berechneten sie systematisch, unter welchen Bedingungen Membranen Nanoteilchen einwickeln, unter welchen dies nicht gelingt und wann Membranen die Partikel nur teilweise umhüllen und diese quasi in der Grenzschicht stecken bleiben.

Das Ergebnis: Das Umhüllen der Teilchen durch die Membran kann entweder kontinuierlich oder schrittweise ablaufen. Entscheidend dafür sind das Verhältnis von Länge und Breite der Teilchen und die Weichheit ihrer Rundungen. Konkret: Wenn bei einem runden Teilchen die Adhäsionsstärke die Biegesteifigkeit der Membran übersteigt, wird es in einem kontinuierlichen Prozess komplett eingehüllt. Ein Würfel dagegen kann schon bei einer sehr geringen Adhäsionsenergie zunächst mit einer Fläche an der Membran anhaften. Aber viel mehr Energie ist nötig, um ihn einzuhüllen.

„Unsere Untersuchungen bilden eine Basis, um durch eine geeignete Wahl der Materialien Teilchen zum Beispiel so zu designen, dass sie komplett von der Zelle aufgenommen werden, oder auch so, dass sie nur an der Membran haften oder nur zum Teil eingehüllt werden“, erläutert Prof. Gerhard Gompper, Direktor am Institute of Complex Systems.

Die Ergebnisse, die auch für die Identifizierung möglicherweise zellschädigender Effekte mancher Nanoteilchen dienlich sein könnten, hat die renommierte Fachzeitschrift ENano LettersE online veröffentlicht.