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Moderne Nanomaterialien nehmen eine immer größere Bedeutung in industriell gefertigten Produkten ein. Der Mensch kommt deshalb über verschiedene Expositionswege, die z.T. auch den medizinischen Einsatz von Nanopartikeln in diagnostischen oder therapeutischen Anwendungen beinhalten, in Kontakt. Die Interaktion von Nanomaterialien mit biologischen Systemen des menschlichen Körpers wird von den physikalisch-chemischen Eigenschaften der Partikel bestimmt. Die Art der Interaktion mit einzelnen Körperzellen bzw. deren Bestandteilen entscheidet, ob positive oder negative Effekte auf die Gesundheit des Menschen entstehen. In dieser Arbeit wurden kolloidale Silikananopartikel, die aus Tetraethylorthosilicat nach der Synthese von Hartlen (2008) hergestellt wurden, auf ihre Fähigkeit untersucht, mit den Signaltransduktionswegen epithelialer Zellen zu interagieren. Im Versuchssystem mit Rattenlungenepithelzellen (RLE 6TN) wurden drei verschiedene Größen kolloidaler Silikananopartikel (Si15 – 15 nm; Si25 – 25 nm; Si80 – 80 nm) untersucht und mit Kontrollnanopartikeln verglichen. Zusätzlich zur Zytotoxizität der Partikel wurden vor allem Effekte auf die Zellproliferation und Signaltransduktion betrachtet. Neben den molekularen Mechanismen der Partikeleffekte wurden insbesondere die Aufnahmemechanismen der Silikananopartikel und die subzelluläre Lokalisation der Partikel in den Zellen untersucht. Die kleinsten verwendeten Silikapartikel (Si15) zeigten einen bislang nicht beschriebenen inhibitorischen Effekt auf die durch den epidermalen Wachstumsfaktor- (EGF-)vermittelte Zellproliferation. Dieser Effekt war nicht durch die Induktion von Zelltod auf der Ebene von Apoptose oder Nekrose begründet. Vielmehr zeigte sich eine spezifische Interaktion von Silikananopartikeln mit der EGFR-abhängigen proliferativen Signaltransduktion. Si15 Nanopartikel führten zu einer Reduktion der Phosphorylierung des EGFRs am Tyrosinrest 1173. Die mit der Aktivierung des Rezeptors einhergehende Internalisierung und die Aktivierung von intrazellulären Signalkinasen, insbesondere Proteinkinase B (Akt), wurden durch die Nanopartikel signifikant verringert. Die molekularen Mechanismen der antiproliferativen Wirkung der Nanopartikel wurden auf der Ebene der Interaktion mit dem natürlichen Liganden EGF identifiziert. So konnte in zellfreien Untersuchungen mit fluoreszenzmarkiertem EGF gezeigt werden, dass dieser an Silikananopartikel bindet. Konfokalmikroskopische Untersuchungen zeigten im zellulären System eine Kolokalisation der Partikel und EGF in vesikulären Strukturen. Weitere Analysen mit den Endozytose-Inhibitoren Chlorpromazin und Filipin III haben gezeigt, dass die Silikananopartikel (SiNP) in Abwesenheit von EGF Clathrin-abhängig von den Zellen internalisiert werden. Durch Färbungen mit vesikulären Markern wurden die SiNP in frühen und späten Endosomen lokalisiert, sodass von einem Transport der Partikel zu den Lysosomen ausgegangen werden kann.

In this study, a novel approach for preparation of green fluorescent protein (GFP)-doped silica nanoparticles with a narrow size distribution is presented. GFP was chosen as a model protein due to its autofluorescence. Protein-doped nanoparticles have a high application potential in the field of intracellular protein delivery. In addition, fluorescently labelled particles can be used for bioimaging. The size of these protein-doped nanoparticles was adjusted from 15 to 35 nm using a multistep synthesis process, comprising the particle core synthesis followed by shell regrowth steps. GFP was selectively incorporated into the silica matrix of either the core or the shell or both by a one-pot reaction. The obtained nanoparticles were characterised by determination of particle size, hydrodynamic diameter, ζ-potential, fluorescence and quantum yield. The measurements showed that the fluorescence of GFP was maintained during particle synthesis. Cellular uptake experiments demonstrated that the GFP-doped nanoparticles can be used as stable and effective fluorescent probes. The study reveals the potential of the chosen approach for incorporation of functional biological macromolecules into silica nanoparticles, which opens novel application fields like intracellular protein delivery.