Bacteriële magnetische nanodeeltjes voor biomedische toepassingen

Magnetische nanodeeltjes die door bacteriën zijn gebiosynthetiseerd, kunnen binnenkort een belangrijke rol spelen in de biogeneeskunde en biotechnologie. Onderzoekers van de Universiteit van Bayreuth hebben nu een proces ontwikkeld en geoptimaliseerd voor het isoleren en zuiveren van deze deeltjes uit bacteriële cellen. In de eerste tests vertoonden magnetosomen een goede biocompatibiliteit wanneer ze werden geïncubeerd met menselijke cellijnen. De resultaten, gepresenteerd in het tijdschrift Acta Biomaterialia, zijn daarom een ​​veelbelovende stap in de richting van het biomedische gebruik van magnetosomen in diagnostische beeldvormingstechnieken of als drager in magnetische toepassingen voor medicijnafgifte.

De magnetotactische bacterie Magnetospirillum gryphiswaldense produceert intracellulaire magnetische nanodeeltjes, zogenaamde magnetosomen. Deze zijn op een kettingachtige manier gerangschikt, vergelijkbaar met een parelsnoer, waardoor ze een soort magnetische kompasnaald vormen waarmee de bacteriën langs het magnetische veld van de aarde kunnen navigeren. In tegenstelling tot chemisch geproduceerde nanodeeltjes, vertonen magnetosomen een opvallend uniforme vorm en grootte van ongeveer 40 nanometer, een perfecte kristalstructuur en veelbelovende magnetische eigenschappen. Bovendien zijn ze omgeven door een biologisch membraan dat naar behoefte kan worden uitgerust met extra biochemische functionaliteiten. De deeltjes zijn daardoor zeer aantrekkelijk voor een aantal biomedische en biotechnologische toepassingen.

Een interdisciplinair team van wetenschappers aan de Universiteit van Bayreuth heeft nu kwaliteitscriteria voor gezuiverde magnetosomen gedefinieerd, die nodig zijn voor toekomstige toepassingen. Deze omvatten in het bijzonder de uniformiteit (homogeniteit) van magnetosomen, een hoge mate van zuiverheid en de integriteit van het membraan dat elk afzonderlijk magnetosoom omgeeft en stabiliteit biedt. Tegelijkertijd hebben de Bayreuth-onderzoekers een methode ontwikkeld en geoptimaliseerd waarmee magnetosomen voorzichtig uit de bacteriën kunnen worden geïsoleerd. De nieuw ontwikkelde procedure voldoet niet alleen aan de kwaliteitscriteria, maar kan ook worden aangepast voor het isoleren van grotere hoeveelheden die nodig zijn in het brede scala aan toepassingen die in de biomedische geneeskunde en biotechnologie worden beoogd.

Het magnetosoomzuiveringsproces dat in Bayreuth is ontwikkeld, is gebaseerd op de fysische eigenschappen van de magnetische nanodeeltjes. Ten eerste worden de magnetosomen gescheiden van andere niet-magnetische celcomponenten door magnetische kolommen. Ten tweede, vanwege de hoge dichtheid van de nanodeeltjes, maakt een extra ultracentrifugatiestap de verwijdering van resterende onzuiverheden mogelijk. De kwaliteit van de gezuiverde magnetosoomsuspensies werd beoordeeld door fysisch-chemische technieken. Bovendien werd de biocompatibiliteit getest in nauwe samenwerking met het Jena University Hospital. Deze analyses lieten hoge vitaliteitswaarden zien van met magnetosoom behandelde menselijke cellijnen, zelfs bij hoge deeltjesconcentraties. Dit duidt op een goede biocompatibiliteit volgens relevante DIN-normen, wat een voorwaarde is voor het gebruik van magnetosomen in magnetische beeldvormingstechnieken of het richten van kankercellen door magnetisch gecontroleerde medicijnafgifte. Bovendien hebben de nanodeeltjes mogelijk een groot potentieel op het gebied van theranostica, die een nauwkeurige diagnose combineert met daaropvolgende gerichte therapie.