English Title: Fabrication and characterization of cell membrane models with varying complexity and studies of their interaction with nanoparticles

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PDF, German - main document Download (53MB) | Lizenz: Herstellung und Charakterisierung von Zellmembranmodellen unterschiedlicher Komplexität und Studien ihrer Wechselwirkung mit Nanopartikeln by Stöcklin, Andreas underlies the terms of Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0

Abstract

In dieser Arbeit wird untersucht, wie Nanopartikel mit Zellmembranmodellen interagieren und welche Faktoren Einfluss auf die Nanotoxizität nehmen. Hierfür werden Zellmembransysteme sowie die zugehörigen Modelle für deren Beschreibung präsentiert, wobei die Komplexität im Laufe der Arbeit zunimmt. Dabei stehen die Zellmembranen von Eukaryoten im Mittelpunkt, aber auch die Membranen von Prokaryoten werden thematisiert. Das Ausgangssystem ist aus DMPC aufgebaut, wobei eukaryotische Zellmembranen durch das Einbauen von Cholesterol modelliert und für die Simulation von prokaryotischen Zellmembranen geladene Lipide verwendet werden. Neben den Auswirkungen der Zellmembranzusammensetzung wird die Beeinflussung der Systeme durch die Änderung der Temperatur, des verwendeten Salzes und der Ionenstärke sowie durch die Zugabe von Nanopartikeln untersucht. Bereits an Luft können verschiedene Charakteristika des Systems, wie beispielsweise die Oberflächenstruktur, Bilagenanzahl und Bilagendicke der Oligolipidbilagensysteme, untersucht werden. In wässriger Umgebung werden die lösungsmittelinduzierten Veränderungen der Struktur und Stabilität des Gesamtsystems genauso untersucht wie der Einfluss von Temperaturänderungen. Zudem wird in der wässrigen Umgebung die Interaktion zwischen den Oligolipidbilagen und Nanopartikeln untersucht. Durch die wässrige Umgebung können Salze in die Lösung eingebracht werden, wodurch die biologische Relevanz des Systems zunimmt und der Einfluss der Ionenstärke auf die Charakteristika des Systems untersucht werden kann. Zudem ist von besonderem Interesse, in welcher Form die Zugabe von Salzen die Interaktion von verschiedenen Zellmembranmodellen mit Nanopartikeln beeinflusst. Neutronenreflexions- und Röntgenreflexionsmessungen stehen bei dieser Arbeit als experimentelle Methoden im Vordergrund. Diese werden jedoch durch eine Vielzahl weiterer Messmethoden, wie dynamische Differenzkalorimetrie, Rasterkraftmikroskopie und Ellipsometrie, ergänzt, sodass ein differenziertes Gesamtbild der Systeme entsteht.

Translation of abstract (English)

In this thesis, the interaction of nanoparticles with cell membrane models is investigated and which factors influence nanotoxicity. For this purpose, cell membrane systems and their corresponding models are presented with increasing complexity towards later chapters. The main focus lies on eukaryotic cell membranes although membranes of prokaryotes are also covered. The initial system is built from DMPC. Thereby, cell membranes of eukaryotes are modelled by incorporating cholesterol while charged lipids are used to simulate prokaryotic cell membranes. Beside the influence of the membrane composition, the response of the system due to changes of the temperature, the salt and the ionic strength as well as the reaction upon addition of nanoparticles is studied. Already in the simple step of the dry state exposed to air, several characteristics of the system, such as the surface structure, bilayer number and thickness of the oligolipidbilayers, can be investigated. In the aqueous environment, several changes regarding the structure and stability of the system are induced. Those are studied as well as the temperature dependency. Furthermore, the interaction between lipid bilayers and nanoparticles in aqueous environment is analysed in detail. Due to the aqueous environment, salts can also be introduced into the solution, increasing the biological relevance of the system and allowing the influence of ionic strength on the characteristics of the system to be studied. Thereupon, the influence of ionic strength on the system is studied by varying the salt concentration. Additionally, it is of interest in which manner the addition of salt changes the interaction of different cell membrane models with nanoparticles. Neutron and X-ray reflectivity measurements are the main experimental techniques used in this work but these are completed by a variety of other methods, e.g. differential scanning calorimetry, atomic force microscopy and ellipsometry. Hence, an overall picture of the entire system emerges.