Wissenschaftler:innen des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL) und des Max-Planck-Zentrums für Physik und Medizin (MPZPM) in Erlangen haben einen großen Fortschritt bei der Charakterisierung von Nanopartikeln erzielt. Mittels einer speziellen Mikroskopiemethode, der Interferometric Nanoparticle Tracking Analysis (iNTA) ist es nunmehr möglich, Mischungen von Nanopartikeln unterschiedlicher Größe und Materialien zu entschlüsseln.

Nanopartikel – eine verborgene Welt

Nanopartikel sind überall: Ob in unserem Körper in Form von Proteinaggregaten, Lipidbläschen und Viren oder als Verunreinigungen in unserem Trinkwasser. Als Schadstoffe schweben sie in der Luft, die wir atmen. Heute schon basieren viele medizinische Anwendungen wie neuartige Impfstoffe auf der Verabreichung von Nanopartikeln – so auch die Schnelltests für den Nachweis von SARS-Cov-2.

In der Regel bezeichnet man etwas als Nanopartikel, wenn sein Durchmesser kleiner als ein Mikrometer ist. Objekte oberhalb dieser Größenordnung können noch mit einem normalen Mikroskop gemessen werden, aber kleinere Partikel unter 0,2 Mikrometer lassen sich nur noch sehr schwer messen oder charakterisieren.

Im Laufe der Jahre haben Wissenschaftler:innen eine Reihe von Instrumenten zur Charakterisierung von Nanopartikeln entwickelt, beispielsweise das Elektronenmikroskop. Im Idealfall möchte man damit ihre Konzentration messen, ihre Größe und Größenverteilung beurteilen und ihre Substanz bestimmen. Doch diese Technologie ist sehr sperrig, teuer und langwierig. Und selbst dann bleibt es schwierig, die Substanz der Teilchen zu bestimmen, die man im Elektronenmikroskop sieht.

Die interferometrische Streuungsmikroskopie

Forschende am MPL haben in den letzten zwei Jahrzehnten eine spezielle Mikroskopiemethode entwickelt, die als interferometrische Streuungsmikroskopie (iSCAT) bekannt ist. Diese Technik ist extrem empfindlich beim Nachweis von Nanopartikeln.

Sie basiert auf dem interferometrischen Nachweis des Lichts, das von einzelnen Nanopartikeln gestreut wird, die in einer Flüssigkeit umherwandern. In einem solchen Medium bewegt die Wärmeenergie die Teilchen ständig in zufällige Richtungen. Der Stokes-Einstein-Relation zufolge korrelieren nun Größe und Geschwindigkeit eines sich im Raum bewegenden Teilchens, mit anderen Worten: Je kleiner das Teilchen, desto schneller ist es. Wenn man also ein Nanopartikel verfolgen und Statistiken über seine unruhige Flugbahn sammeln könnte, könnte man auf seine Größe schließen. Die Herausforderung besteht also darin, sehr schnelle Filme von winzigen vorbeiziehenden Teilchen aufzunehmen.

Durch die Anwendung von iSCAT auf das Problem der diffundierenden Nanopartikel hat die MPL-Gruppe erkannt, dass die neue Technologie hochaufgelöst und präziser als die bisherigen Geräte auf dem Markt Mischungen von Nanopartikeln unterschiedlicher Größe und unterschiedlicher Materialien identifiziert.

Vielfältige Anwendungsbereiche

Die Anwendungen der neuen Methode sind vielfältig. Ein besonders spannender Anwendungsbereich betrifft nanogroße Vehikel, die von Zellen abgesondert werden, die so genannten extrazellulären Vesikel. Diese bestehen aus einer Lipidhülle, ähnlich wie eine Nanoseifenblase. Die Hülle und die innere Flüssigkeit enthalten jedoch auch Proteine, die uns Aufschluss darüber geben, woher die Vesikel stammen, d. h. aus welchem Organ oder zellulären Prozess. Wenn die Proteinmenge und/oder die Größe der Bläschen vom Normalbereich abweicht, könnte dies auf eine Krankheit hindeuten. Deshalb ist es sehr wichtig, Wege zu finden, extrazelluläre Vesikel zu charakterisieren.

Die Forschenden am MPL und MPZPM haben ihre Ergebnisse am 9.Mai in der Fachzeitschrift Zeitschrift Nature Methods veröffentlicht. Sie arbeiten nun an der Entwicklung eines Benchtop-Systems, mit dem Wissenschaftler weltweit von den Vorteilen der iNTA profitieren können.

Die Originalveröffentlichung finden Sie hier.