Die biologische Wirkung von Quantenpunkten wird in der aktuellen Fachliteratur kontrovers diskutiert. Man findet quasi alles von „keine schädlichen Effekte“ bis hin zu „enormer Toxizität“. Faktoren wie beispielsweise die unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften der Quantenpunkte als auch die experimentellen Bedingungen, unter denen die Versuche durchgeführt wurden, führen zu solchen Widersprüchen und Unstimmigkeiten.

 

Quantenpunkte können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden und weiterhin verschiedene Umhüllungen erhalten, daher kann es keine einheitlichen Reaktionen in Zellkulturen oder Tierversuchen geben. An dieser Stelle soll aber ein genereller Überblick helfen, diese besonderen Nanopartikel zu beurteilen. Viele unterschiedliche bzw. unterschiedlich modifizierte Quantenpunkte wurden in vitro in verschiedenen Zelltypen auf ihre mögliche Toxizität untersucht. Generell beeinflussen folgende physikalisch-chemische Eigenschaften der Quantenpunkte das Ausmaß ihrer biologischen Wirkungen: die Größe (Durchmesser), das Kern- sowie das Hüllmaterial, die Stabilität des Hüllmaterials, die Art der zusätzlichen Beschichtung, der gewählte Produktionsprozess sowie die Oberflächenladung. Darüber hinaus bestimmen sowohl der Zelltyp, in dem die Experimente durchgeführt wurden, als auch der gewählte Konzentrationsbereich die Resultate der Tests [1-6].

 

Verschiedene Hüll- und Beschichtungsmaterialien werden eingesetzt, um den Kern der Quantenpunkte zu schützen und die Freisetzung z.B. giftiger Cadmium-Ionen zu verhindern [2,3,7,8]. Die Stabilität des kompletten Quantenpunkts hängt somit massgeblich von der Stabilität seiner Hülle und/oder seiner zusätzlichen Beschichtung ab. Wie stabil Quantenpunkte in lebenden Zellen oder auch im Organismus (vgl. Abschnitt "Exposition - in vivo") sind, hängt u.a. davon ab, wo sie sich innerhalb einer Zelle genau befinden (vgl. Kapitel „Aufnahmeverhalten in Zellen“) [9].

Im Gegensatz zu ihrer schützenden Funktion könnten die Beschichtungsmaterialien selbst einen schädigenden Effekt auf Zellen ausüben [2]. Das Beschichtungsmaterial sollte daher für die Herstellung von Quantenpunkten für medizinische Zwecke gezielt und überlegt ausgewählt werden. Die sehr kleinen Quantenpunkte werden durch die zusätzliche Beschichtung stark vergrößert. Die Größe spielt, wie unter Kapitel „Verhalten im Körper“ detaillierter beschrieben, bei der Ausscheidung von Quantenpunkte aus lebenden Organismen eine entscheidende Rolle.

 

Nicht nur die mögliche Freisetzung von schädlichen Cadmium-Ionen trägt zur Toxizität von Quantenpunkten bei, sondern auch ihre Fähigkeit reaktive Sauerstoffspezies (ROS) zu erzeugen [10-12]. In höheren Konzentrationen verursachen diese Schäden in der Zelle, die durchaus bis zum Zelltod führen können [9]. In zwei unterschiedlichen Zelltypen wurde die Verteilung von Quantenpunkten innerhalb der Zelle untersucht. Kleinere Quantenpunkte wurden vermehrt im Kern gefunden, größere hingegen im Zytoplasma [13]. In der gleichen Studie konnte gezeigt werden, dass positiv geladene, kleinere Quantenpunkte giftiger waren als größere Quantenpunkte mit gleicher Ladung. Darüber hinaus fanden andere Wissenschaftler heraus, dass positiv geladene QD Zelltod in Leberzellen auslösen können [7].

Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass die Oberflächenladung durchaus zur Toxizität von Quantenpunkten beitragen kann. Was jedoch die Größenabhängigkeit der Quantenpunkt-Giftigkeit angeht, lassen sich in der Fachliteratur auch gegensätzliche Ergebnisse finden. Beispielsweise wurden Quantenpunkte unabhängig von ihrer Größe gleich gut in verschiedene Zellen aufgenommen und dann auch ähnlich im Innern dieser Zellen verteilt. Es konnte in dieser Studie nach zehn Tagen noch keinerlei Giftigkeit gemessen werden [14].

 

Bislang bleibt auch ungeklärt, ob Quantenpunkte in Zellen eindringen müssen um diese negativ zu beeinflussen oder ob es ausreicht, von außen mit den Zellen in Kontakt zu kommen. Zum einen wurde gezeigt, dass erst mit Aufnahme der Quantenpunkte ins Zellinnere und dem Abbau des Cadmium-Kerns Zelltod eintritt [15]. Zum anderen gibt es aber auch Ergebnisse, die zeigen, dass bereits das Ablagern von Quantenpunkten auf der Zelloberfläche ausreicht, um die Vitalität der Zelle zu beeinträchtigen – wenn auch auf andere Weise als von aufgenommenen Partikeln [3].

In mehreren Studien wurde über die generelle Vitalität der Zellen hinaus, im Speziellen die Schädigung ihres Erbmaterials (DNA) untersucht [8,10,16]. Defekte im Erbmaterial können im besten Fall von Zellen repariert werden, ohne weitere Auswirkungen nach sich zu ziehen. Im schlimmsten Fall können solche Schäden jedoch zu Krebs und/oder erblichen Erkrankungen führen.

Der Abbau von DNA konnte sowohl in Gegenwart als auch in Abwesenheit von Licht durch Quantenpunkte hervorgerufen werden. Möglicherweise waren an dieser Reaktion reaktive Sauerstoffformen beteiligt [10,16]. Aber auch die Kern- und Hüllmaterialien scheinen den Schweregrad der DNA-schädigenden Wirkung von Quantenpunkten mitzubestimmen. Partikel die lediglich aus einem Cadmium-Tellurid-Kern bestanden, lösten die höchste DNA-Schädigung aus. Eine zusätzliche Hülle machte die Quantenpunkte weniger schädlich. Die Verwendung eines anderen, ebenfalls umhüllten Kernmaterials verursachte letztendlich nahezu keine Verletzungen des Erbgutes [8].

 

Literatur arrow down

  1. Derfus, AM et al. (2004), Nano Letters, 4(1): 11-18.
  2. Hoshino, A et al. (2004), Nano Letters, 4(11): 2163-2169.
  3. Kirchner, C et al. (2005), Nano Letters, 5(2): 331-338.
  4. Hardman, R (2006), Environ Health Perspect, 114(2): 165-172.
  5. Cho, SJ et al. (2007), Langmuir, 23(4): 1974-1980.
  6. Bottrill, M et al. (2011), Chem Commun (Camb), 47(25): 7039-7050.
  7. Guo, GN et al. (2007), Materials Letters, 61(8-9): 1641-1644.
  8. Wang, C et al. (2010), Talanta, 80(3): 1228-1233.
  9. Maysinger, D et al. (2007), Eur J Pharm Biopharm, 65(3): 270-281.
  10. Green, M et al. (2005), Chem Commun (Camb),(1): 121-123.
  11. Lu, HY et al. (2006), J Med Biol Eng, 26(2): 89-96.
  12. Chen, N et al. (2012), Biomaterials, 33(5): 1238-1244.
  13. Lovric, J et al. (2005), J Mol Med (Berl), 83(5): 377-385.
  14. Parak, WJ et al. (2002), Advanced Materials, 14(12): 882-885.
  15. Chang, E et al. (2006), Small, 2(12): 1412-1417.
  16. Anas, A et al. (2008), J Phys Chem B, 112(32): 10005-10011.

 

 

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