Upconverting Nanoparticles

Viele komplexe biochemische Prozesse in lebenden Zellen müssen für eine parallele Verarbeitung intrazellulärer „Signale“ räumlich und zeitlich getrennt voneinander ablaufen. Die Untersuchung solcher lokal begrenzter Signalvorgänge erfordert deren spezifische Modulation und Detektion.

Die vorgeschlagene Studie soll dieses Ziel erreichen, indem photobiologische Reaktionen in der Nähe ausgewählter Membranproteine in lebenden Zellen durch UV/VIS-Lichtquellen auf der Nanometer-Skala mit hoher zeitlicher Auflösung gesteuert werden. Die biologische Antwort wird hier durch die elektrophysiologisch messbare Ionenkanalfunktion quantitativ bestimmt. Mit Hilfe von Nanopartikeln erfolgt eine optische Frequenzkonversion von NIR-Licht in UV/VIS-Licht (300-450 nm), dessen räumliche Ausdehnung auf die unmittelbare Umgebung der Partikel begrenzt ist. Vornehmlich dienen dazu hoch-konvertierende (up-converting) Nanokristalle (z. B. NaYF₄:Yb,Tm unter 980 nm Diodenlaserbestrahlung) und als Kontrolle frequenzverdoppelnde BaTiO₃-Partikel unter fs-Laserbestrahlung (SHG). In der Endstufe werden die photochemisch ausgelösten Reaktionen anhand der funktionellen Eigenschaften individueller maßgeschneiderter Ionenkanäle verfolgt. Erste Anwendungen haben eine lokale Freisetzung von Ca²⁺ aus Käfigverbindungen zum Ziel, welches in der Folge eine Aktivierung von Ca²⁺- und spannungsgesteuerten Kaliumkanälen (Slo1 BK) auslöst. Darüber hinaus wird die Erzeugung von reaktiven Spezies über die funktionelle Modulation von ROS-sensitiven Natriumkanälen (roNa_V) sichtbar gemacht. Diese Natriumkanalmutanten werden zudem dazu dienen, die phototoxische Belastung der Zellen zu bewerten.

Dieses anspruchsvolle Ziel wird in enger Zusammenarbeit von Physikern (Optik, Lasertechnik) und Biophysikern/Elektrophysiologen (Biokompatibilität und Lichtwirkung auf Ionenkanäle) schrittweise realisiert. Besondere Herausforderungen bilden dabei die gezielte Positionierung der Partikel an den ausgewählten Membranproteinen sowie die Optimierung der UV/VIS-Photonenausbeute, damit µm- durch nm-Partikel ersetzt werden können. Die Position der Nanopartikel soll mit hochauflösender Mikroskopie und die Wirkung der lokal erzeugten UV/VIS-Photonen indirekt über die spezifische Modulation der Kanalfunktion mit elektrischen Messungen (patch clamp) ermittelt werden. Dieser neuartige experimentelle Ansatz führt zu einer erheblichen Reduktion der sonst üblichen Belastung der Zellen durch schädigende Weitfeld-UV-Bestrahlung. Das beantragte Projekt wird das Verständnis von membrannahen biochemischen Reaktionen in Zellen verbessern und den Weg für biomedizinische Routineanwendungen von photonischen Zellmanipulationen mit molekularer Präzision ebnen. Des Weiteren sind mit Hilfe der nicht-linearen optischen Eigenschaften der frequenzkonvertierenden Nanopartikel, die kein Ausbleichen und Blinken zeigen, Verbesserungen in der hochauflösenden Mikroskopie zu erwarten (Nanoskopie).