Selektive antibakterielle Silber-Gold-Legierungsnanopartikel, konjugiert mit zielspezifischen Aptamersequenzen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stephan Barcikowski; Professorin Dr. Meike Stiesch
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 356685838

Implantat-assoziierte Infektionen treten in vielen medizinischen Disziplinen auf und stellen heute eine große Herausforderung in der Medizin dar. Die Infektionen werden durch Bakterien verursacht, die sich in komplexen Biofilmen organisieren und eine hohe Resistenz gegenüber Antibiotika und der körpereigenen Immunabwehr aufweisen. In der Folge kommt es häufig zum Implantatverlust und sogar zu lebensbedrohlichen Komplikationen. Limitationen bisheriger präventiver und therapeutischer Ansätze bestehen darin, dass deren effektive Wirkung auf Bakterienzellen langfristig auch mit einer Gefährdung humane Zellen einhergeht. Daher besteht großer Bedarf an antibakteriellen Strategien mit einem erweiterten therapeutischen Fenster.Im Rahmen des beantragten Projektes sollen nun Silber-Gold-Legierungsnanopartikeln (AgAu-NP) mit spezifischer Wirkung auf ausgewählte pathogene Bakterien entwickelt werden. Dazu werden die Eigenschaften von Ag- und Au-NP kombiniert, wobei der Silberanteil für die bakterizide Wirkung verantwortlich ist, wohingegen über den Goldanteil Stabilität und Ionenfreisetzung dieser Spezies kontrolliert werden kann und eine Konjugation mit zielspezifischen Aptameren mittels Gold-Thiol-Chemie ermöglicht wird. Für die Synthese von stabilen AgAu-NP wird eine moderne, laserbasierte Methode eingesetzt, die Zugang zu Nanopartikeln mit kontrollierter Zusammensetzung ermöglicht, die anschließend mit thiolisierten Aptamersequenzen biofunktionalisiert werden. In diesem Zusammenhang wird der Einfluss von Partikelgröße und Zusammensetzung auf Ionenfreisetzung, Oberflächenbedeckung und Konjugationseffizienz sowie auf die Bildung löslicher und unlöslicher Silberspezies in verschiedenen Medien systematisch untersucht. Die spezifische Anbindung dieser AgAu-NP-Konjugate an die Bakterienmembran von S. aureus und P. gingivalis führt dazu dass diese Erreger in nächster Nähe zu diesem Partikel einer hohen lokalen Ag+-Konzentration ausgesetzt werden, wodurch das Wachstum dieses Bakteriums, auch in Gegenwart anderer Stämme, selektiv verhindert werden kann. Um die ideale NP-Zusammensetzung zum Erzielen der höchsten antibakteriellen Wirkung bei gleichzeitig möglichst geringer Toxizität abzuleiten, werden systematisch verschiedene molekularbiologische Assays und Zellkulturtests durchgeführt. Dieses beinhaltet auch Kokulturmodelle bei denen mehrere Bakterienstämme parallel, aber auch Bakterien in Gegenwart von menschlichen Zellen getestet werden können. Dabei sollen selektive Bindungsstudien Aufschluss über die Adhäsion der AgAu-NP-Konjugate an den Bakterien liefern, während parallel die zellulare Aufnahme der Konjugate untersucht wird, mit dem Ziel den Mechanismus der antibakteriellen Wirkung aufzuklären. Dadurch eröffnen die geplanten Experimente Zugang zu einem hochinnovativen Verfahren zur Behandlung von bakteriellen Infektionen und es können wichtige Erkenntnisse darüber gewonnen werden wie die Biokonjugation von der Nanopartikelzusammensetzung beeinflusst wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen