EN
Logo Leibniz IPHT
EN
Logo Leibniz IPHT

Auf dem Weg zum SERS-basierten Nachweis gefährlicher atherosklerotischer Plaques

Atherosklerose, als Prozess der Verhärtung und Verengung von Arterien, betrifft alle Menschen. Allerdings sind nicht alle Plaques gefährlich. Eine Unterscheidung zwischen stabilen und gefährlichen atherosklerotischen Läsionen ist mit den vorhandenen Techniken nicht möglich. Wir stellen ein In-vitro-Modell vor, um Makrophagen, die bei vulnerablen atherosklerotischen Plaques in großen Mengen vorkommen, mit Hilfe von SERS-Tags zu erfassen.

Abb. 1A. Falschfarb-Raman-Bild der Verteilung von SERS-Tags innerhalb der Makrophagen-Zelle; 1B. Eine semi-quantitative Abschätzung der Aufnahme dreier Arten von SERS-Tags durch Makrophagen: nackte Goldnanopartikel, die nur PDI (AuNP-PDI) tragen, mit Siliziumdioxid beschichtete SERS-Tags (AuNP-Silica) und mit Mannose funktionalisierte SERS-Tags (AuNP-Mannose).

Von V. Dugandžić // D. Cialla‐May 

Atherosklerose ist eine Krankheit, bei der sich Fettablagerungen an den Arterienwänden sammeln, was zu ihrer Verengung und Verhärtung führt. Es betrifft in gewissem Maße fast alle Menschen und ist eine der häufigsten Todesursachen in der westlichen Welt. Ein Fortschreiten der Atherosklerose ist oft mit einem ungesunden Lebensstil, mangelnder körperlicher Aktivität und schlechter Ernährung verbunden. Die Entwicklung der Läsionen beginnt mit der Schädigung des Epithelgewebes, gefolgt von einer Kaskade biochemischer Prozesse, die zur Bildung der Fettablagerungen führen. Es ist bekannt, dass die gefährlichen atherosklerotischen Plaques durch einen Entzündungsprozess gekennzeichnet sind. Von daher besteht der Abwehrmechanismus des Körpers in der Rekrutierung weißer Blutkörperchen mit dem Ziel, die Gewebeschäden zu reparieren. Die weißen Blutkörperchen werden als Teil der Immunantwort zu Makrophagen differenziert, den Zellen, die die Aufgabe haben, die Plaques aufzunehmen, was zur Bildung von Schaumzellen führt. Die Präsenz von Makrophagen könnte zur Erkennung der gefährlichen atherosklerotischen Plaques verwendet werden. Eine der vielversprechenden Techniken, die eine frühzeitige Erkennung der gefährlichen atherosklerotischen Plaques ermöglichen, ist die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) in Kombination mit Raman-Endoskopie.

Die Strategie für den Nachweis der gefährlichen atherosklerotischen Plaques mit einem SERS-basierten Ansatz erfordert die Zufuhr der SERS-aktiven plasmonischen Nanopartikel zu den Plaques, gefolgt von der anschließenden Detektion mittels Raman-Endoskopsonde. Atherosklerotische Plaques haben im Allgemeinen keine spezifischen Marker, was ihre Ortung äußerst erschwert. Die Fülle an Makrophagen innerhalb der gefährlichen Plaques kann jedoch für die gezielte Zufuhr von SERS-Tags genutzt werden. Es ist bekannt, dass Makrophagen auf ihrer Oberfläche einen Rezeptor vom Lektintyp exprimieren, der spezifisch für die Bindung von Mannose ist. Daher könnte die Funktionalisierung von SERS-Tags mit Mannose ein möglicher Weg zur Ortung sein.

Um den SERS-basierten Ansatz für den Nachweis der gefährlichen atherosklerotischen Plaques mittels der Abgabe von Tags an die Makrophagen innerhalb der Plaques zu testen, wurden geeignete SERS-Tags entwickelt. Verzweigte Goldnanopartikel wurden als plasmonischer Kern eingesetzt, da sie eine SERS-Verstärkung ohne die Notwendigkeit einer Aggregation aufweisen. Die Kerne wurden mit einem SERS-Marker weiter funktionalisiert. Ein eine Cyanogruppe enthaltendes Molekül, 1,4-Phenylendiisocyanid (PDI), wurde als SERS-Tag verwendet. Eine einfache Unterscheidung des SERS-Signals vom Raman-Signal der Zellen und Gewebe war möglich, da die spezifische Schwingung der Cyanogruppe bei etwa 2150 cm-1auftritt, dem Spektralbereich, in dem Zellen und Gewebe keine Raman-Signaturen aufweisen. Im nächsten Schritt wurden die SERS-Tags mit einer Siliziumdioxidlage beschichtet, um Biokompatibilität und eine geringe Toxizität der Marker zu gewährleisten. Im letzten Schritt wurde die Mannose-Funktionalisierung auf die Oberfläche der SERS-Marker aufgebracht, um eine selektive Ortung der Makrophagen zu erreichen.

Um ihre Interaktion mit Makrophagen zu überprüfen, wurden präparierte SERS-Tags in vitro an Makrophagen-Zelllinien weiter getestet. Die Abschätzung zur Aufnahme von Nanopartikeln durch Makrophagen erfolgte mit Hilfe der konfokalen Raman-Bildgebung (siehe Abb. 1A). Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Mannose-Funktionalisierung bereits nach 30 Minuten Inkubation zu einer höheren Aufnahme von Nanopartikeln führt (siehe Abb. 1B), mit einer dramatischen Zunahme der Aufnahme nach 2 Stunden. Bei Nanopartikeln ohne Mannose-Funktionalisierung wurde eine geringere Aufnahme beobachtet als bei funktionalisierten Nanopartikeln. Darüber hinaus wurde eine Stagnation der Aufnahme bereits nach 30 Minuten beobachtet.

Die beobachteten Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Einsatz von mit Mannose modifizierten SERS-Tags für den Nachweis gefährlicher atherosklerotischer Plaques durch das Verorten von Makrophagen eine vielversprechende Strategie zur Unterscheidung zwischen stabilen und gefährlichen atherosklerotischen Plaques sein könnte.

Gefördert von: BMBF, Carl-Zeiss-Stiftung

Zugehörige Publikationen

Vera Dugandžić, Denis Drikermann, Oleg Ryabchykov, Andreas Undisz, Ivan Vilotijević, Stefan Lorkowski, Thomas W. Bocklitz, Christian Matthäus, Karina Weber, Dana Cialla‐May and Jürgen Popp; Journal of Biophotonics 2018 11 (12), e201800013

DOI: doi.org/10.1002/jbio.201800013

Logo Leibniz-Gemeinschaft