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Reif für die Nanomedizin

Diamant-Nanopartikel oder Nanodiamanten (NDs) besitzen eine Reihe essenzieller Vorzüge für biomedizinische Anwendungen: ihre sehr schwache Zytotoxizität und Genotoxizität [1], ihre kohlenstoffverwandte Oberflächenchemie für die kovalente Funktionalisierung von Ziel- oder Markierungsmolekülen (Oligonukleotide, Proteine, Fluoreszenzfarbstoffe, Peptidnukleinsäuren [2],…) und ihre abstimmbare Oberflächenladung für die Wirkstoff­freisetzung [3]. Insbesondere die durch Explosion synthetisierten Detonations-Nanodiamanten [4] besitzen all diese Eigenschaften bei einer Primärgröße von 5 nm, die mit der Nierenfiltration kompatibel ist, was erwartungsgemäß für eine erleichterte Eliminierung sorgt. Gleichwohl sind die NDs extrem empfindlich in Bezug auf ihre Oberflächenbeschaffenheit.

Das Diamond Sensors Laboratory (CEA-LIST) hat seinen Kompetenzschwerpunkt auf die kontrollierte Oberflächenchemie von NDs gesetzt. Ursprüngliche Behandlungen wie die Plasmahydrierung [5] oder die Oberflächengraphitierung [6, 7] wurden optimiert, um eine homogene Oberflächenchemie zu erzeugen, welche zu spezifischen elektrischen Oberflächeneigenschaften oder Funktionalisierungswegen führt. Solche NDs besitzen eine veränderbare Oberflächenladung und eine sehr hohe kolloidale Stabilität in biologischen Medien.


Hohe Affinität gegenüber Wassermolekülen


Hydrierte Nanodiamanten wurden mittels Mikrowellen-unterstütztem Wasserstoffplasma erhalten. Dazu werden jeweils 80 mg Nanodiamanten (mithilfe des Quantos-Sytems QB5-L von Mettler-Toledo genau abgewogen) behandelt. Der atomare Wasserstoff, der durch das Mikrowellenfeld produziert wird, führt zu einer Ätzung des Nicht-Diamant-Kohlenstoffs, zur Reduzierung von Sauerstoffderivaten und zur Bildung von C sp3-H-Bindungen. Die Kinetik dieser Hydrierungstechnik wurde mittels sequenzieller Oberflächenanalyse untersucht. Durch Nutzung eines selbst entwickelten MPCVD (microwave plasma chemical vapor deposition)-Reaktors wurden optimale Bedingungen geschaffen, um große Mengen an hydrierten Nanodiamanten (H-NDs) zu produzieren (siehe Abb. 1) [9]. H-NDs besitzen einen Diamantkern, umrundet mit stabilen C-1H-Enden. Die hohe Affinität von H-NDs gegenüber Wassermolekülen wurde durch Adsorptionsisothermen (BET) aufgezeigt, sie besitzen  mehr hydrophile Stellen als ND-COOH [5]. Somit konnten stabile H-ND-Suspensionen in Wasser erhalten werden, die ein positives Zeta-Potenzial (ZP) aufweisen, + 45 mV bei pH= 7,4 (siehe Abb. 2). Dessen Ursprung steht im Zusammenhang mit einer Transfer­dotierung der 5 nm-Diamant-Nanopartikel, die auf das Halbleiterverhalten von Diamant zurückzuführen ist.


Die chemische Reaktivität von H-NDs wurde mittels photochemischer Reaktion mit Alkenen oder  mit Diazoniumreaktionen untersucht. Ihr Verhalten ist dem von hydrierten Diamantschichten ähnlich [10].

Abb. 1 Versuchsaufbau für die Hydrierung


Effizient gegen Tumorzellen


Die terminalen Wasserstoffe können den NDs auch neue Eigenschaften verleihen, die bis zum Radiosensi­tivierungseffekt für die Krebstherapie führen können. Tatsächlich wurde ein In-Vitro-Radiosensitivierungseffekt von hydrierten 5-nm-NDs bei strahlenresistenten Zell­linien unter Gammastrahlung bewiesen (Zusammenarbeit mit dem Experimental Cancerology Laboratory; CEA iRCM) [11]. Unter Röntgenstrahlung können H-NDs hohe Konzentrationen an reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) generieren, die effizient gegen Tumorzellen eingesetzt werden könnten. Die ROS-Generierung könnte mit den spezifischen Eigenschaften der hydrierten Oberfläche zusammenhängen, d. h. mit ihrer Elektronenaffinität und ihrer hohen Reaktivität gegenüber Wassermolekülen [5]. Biologische Effekte werden derzeit in Forschungsarbeiten untersucht [12].


Nanopartikel-Radiotracer werden zurzeit häufig eingesetzt zur quantitativen Untersuchung der Gesundheitsrisiken von Nanotechnologien oder als Theranostika [13]. Wird das Wasserstoffgas bei der Plasmahydrierung durch Tritiumgas ersetzt, kann die Oberflächenchemie leicht zu C-3H geändert werden, wodurch den Partikeln inhärente Radiotracing-Eigenschaften verliehen werden, die eine wesentliche Voraussetzung für Biodistributionsstudien darstellen. Eine radioaktive Markierung des Diamantkerns erscheint als eine vielversprechende Herangehensweise zur Nachverfolgung von NDs. Eine solche direkte radioaktive Markierung durch Plasmabehandlung wurde kürzlich erreicht [14]. Die durch Flüssigszintillation gemessene Gesamtradioaktivität besteht zu 93 % aus 3H-Atomen, die an der Oberfläche der NDs gebunden sind, und 7 %, die im Diamantkern eingebunden sind. Eine solche 3H-Dotierung gewährleistet hochstabil radioaktiv markierte Nanodiamanten, auf deren Oberfläche eine Funktionalisierung noch möglich ist.

Abb. 2 Kolloidale Suspension von hydrierten Nano- diamanten in Wasser (3 mg/mL)


Fazit


Durch das Tragen eines positiven Zeta-Potenzials, das für die Wirkstoffabgabe erwünscht ist, und einem Diamantkern mit therapeutischem Potenzial sind H-NDs nun reif für die Anwendung in der Nanomedizin. Nanodiamanten wurden bisher als effiziente, aber inerte Plattform angesehen. Wir haben aufgezeigt, dass NDs und insbesondere H-NDs jetzt als aktives Nanomaterial betrachtet werden sollten.

Literatur:
[1] Paget, V. et al. (2013), Nanotoxicology, DOI: 10.3109/17435390.2013.855828
[2] Gaillard, C. et al. (2014) RSC Advances 4, 3566–3572
[3] Krueger, A. & Lang, D. (2012) Advanced Functional Materials 22, 890
[4] Dolmatov, V. Y. (2007) Russian Chemical Reviews 76, 339
[5] Petit, T. et al. (2013) Nanoscale 5, 8958–62
[6] Petit, T. et al. (2011) Phys. Rev. B 84, 233407.v
[7] Petit, T. et al. (2012) Nanoscale 4 , 6792
[8] Arnault, J. Cet a. (2011) Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 11481
[9] Girard, H. A. et al. (2010) Diam. Relat. Mater. 19, 1117
[10] Girard, H. A. et al. (2011), Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 11511
[11] Petit, T. et al., Proceedings of the 13th IEEE International Conference on Nanotechnology, Beijing, China, 5.–8. August 2013
[12] Grall, R. et al. (noch einzureichen)
[13] Hong, H. et al. (2009) Nano Today 4, 399
[14] Girard, H. A. et al. (2014) Chem. Comm. 50, 2916

Erstveröffentlichung: Arnault, J., Gesset, C., Girard, H., de Sanoit, J., q&more, 2.2014.

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