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Wasserlösliches verbogenes Nanographen: Anwendung für den lichtinduzierten Zelltod

Nanographen vernichtet Zellen einer menschlichen HeLa-Zellkultur

© Wiley-VCH

13.02.2018: Graphen und sein kleiner Nano-Bruder Nanographen sind für ihre besonderen photoelektronischen Eigenschaften bekannt. Anwendungen wie etwa in der biologischen Bildgebung steht jedoch noch die Schwerlöslichkeit des Materials in Wasser entgegen. Japanische Wissenschaftler stellen jetzt ein substituiertes „gebogenes“ Nanographen vor, das bei gleichen elektronischen Eigenschaften wie Graphen hervorragend löslich ist. In ihrer Veröffentlichung in der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen die Autoren insbesondere Anwendungsmöglichkeiten in der photodynamischen Therapie heraus, der gezielten Zerstörung von Zellen nach Bestrahlung.

Nanographen weist das wabenartige Kohlenstoffgitter von Graphen und dessen interessante elektronischen Eigenschaften auf, besteht aber nur aus wenigen Kohlenstoffringen. Dass Nanographen noch wenig Anwendung in der Optoelektronik oder Biomedizin findet, liegt im Wesentlichen an seiner Schwerlöslichkeit. Seine Tendenz, Stapel zu bilden und zu aggregieren, lässt sich jedoch durch eine neue Sorte von Nanographen mit gebogener Struktur unterdrücken, das „gebogene“ Nanographen (engl. „warped“). Kinichiro Itami von der Nagoya-Universität in Japan und Kollegen gelang es jetzt, das gebogene Nanographen mit weiteren Substituenten zu bestücken, um es in einem breiten Lösungsmittelbereich vollständig löslich zu machen. Diese neue Struktur wurde von den Zellen einer Zellkultur als prinzipiell unschädliches Produkt aufgenommen. Unter Laserbestrahlung starben die Zellen jedoch rasch ab. Diese Photosensibilisierung könnte der Grundstein für zukünftige Krebstherapieforschung sein, glauben die Wissenschaftler.

Seit der Entdeckung von Graphen als faszinierende einlagige Kohlenstoffmodifikation ist dessen schlechte Löslichkeit als problematisch bekannt. Um die Löslichkeit zu erhöhen, entwickelten Itami und sein Team gebogenes Nanographen, das am äußeren Rand der Struktur chemische Substituenten trägt. Die Substituenten führten sie durch die Methode der Borylierung ein. Hierbei werden zunächst mit Bor-Reagenzien borhaltige Moleküle erzeugt. Die Organoborgruppen können dann durch andere Substituenten ersetzt werden, hier durch ein aromatisches Molekül mit sehr gut löslichen Tetraethylenglykol-Ketten (TEG). Nach zweimaliger Anwendung dieser Borylierungsstrategie erhielten die Wissenschafter ein gebogenes Nanographenmolekül, das in einem breiten Lösungsmittelspektrum stabil war, darunter auch Wasser. Als fluoreszierendes Molekül strahlte es bei Anregung mit einem Laser eine grüne Fluoreszenz aus.

Wegen dieser Fluoreszenzeigenschaften lässt sich an bildgebende Anwendungen in der Biologie denken, etwa für die Fluoreszenzmikroskopie. Eher unerwartet tat sich aber noch eine weitere faszinierende Anwendungsmöglichkeit auf: Das Nanographen vernichtete die Zellen einer menschlichen HeLa-Zellkultur, denen es ansonsten nicht zu schaden schien, zu fast 100 Prozent nach Anregung mit einem Laser. Die Autoren vermuteten: „Obwohl der Mechanismus unklar ist, hat möglicherweise der recht hohe Wirkungsgrad der Produktion von Singulett-Sauerstoff durch das lösliche gebogene Nanographen zum Tod der HeLa-Zellen beigetragen.“ Dies deutet auf eine Photosensibilisierung und die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies hin.

Diese Nanographen-Moleküle der zweiten Generation verbinden die besonderen optoelektronischen Eigenschaften von Graphen mit der Aufnahmefähigkeit in biologisches Gewebe. Damit könnten sie bei Zukunftsthemen wie Biosensoren, biologischer Bildgebung und photodynamischer Therapie eine große Rolle spielen.

Originalveröffentlichung:
Lin, H.-A., Sato, Y., Segawa, Y., Nishihara, T., Sugimoto, N., Scott, L. T., Higashiyama, T. and Itami, K.; "A Water-Soluble Warped Nanographene: Synthesis and Applications for Photoinduced Cell Death"; Angew. Chem.; 2018

Fakten, Hintergründe, Dossiers

  • Nanographen
  • Graphen
  • photodynamische Therapien

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