Wurde Graphenoxid im Rahmen des Graphene Flagship Program als Impfstoffträger vorgeschlagen?


Biomedizinische Geräte, die mit Graphen und verwandten Materialien hergestellt werden, müssen eine große Hürde überwinden - unser Immunsystem. G-IMMUNOMICS hat nun untersucht, wie Graphen "getarnt" werden kann, um Abstoßung zu vermeiden.

Experiment zwischen Graphen-Oxid und fünfzehn verschiedenen Zelltypen

Graphenoxid ist ein Material auf Kohlenstoffbasis mit vielversprechenden Eigenschaften für Anwendungen in der Medizin, insbesondere als neuartiges diagnostisches und therapeutisches Instrument. Doch bevor dieser Schritt getan werden kann, müssen die Wissenschaftler genau verstehen, wie es mit unseren Immunzellen interagiert, die unseren Körper vor Eindringlingen schützen.

Graphene-Flagship-Forscher der Universität Sassari (Italien), assoziiertes Mitglied, und Partner am CNRS in Straßburg (Frankreich) und der Universität Rom Tor Vergata (Italien) - neben anderen europäischen Zentren - haben ein Experiment entwickelt, um die komplexen Wechselwirkungen zwischen Graphenoxid und fünfzehn verschiedenen Zelltypen unseres Immunsystems zu charakterisieren, darunter T-Lymphozyten, Leukozyten, Monozyten, NK-Zellen und dendritische Zellen.

Die Daten dieser Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurden, unterstreichen die Bedeutung der chemischen Modifizierung von Materialien auf Graphenbasis durch Hinzufügen funktioneller Gruppen wie der stickstoffhaltigen Aminogruppe, um sie mit menschlichen Immunzellen verträglicher zu machen.

"Wir haben [eine Technik namens] Einzelzell-Massenzytometrie verwendet, um zu analysieren, wie sich Graphenoxid auf diese Zellen auswirkt und ob Veränderungen auftreten, wenn es 'funktionalisiert' wird, das heißt, wenn es mit anderen Molekülen konjugiert wird", erklärt Lucia Gemma Delogu, eine der Autorinnen der Studie.

Die Einzelzell-Massenzytometrie ermöglicht es den Wissenschaftlern, verschiedene Untergruppen von Immunzellen und spezifische Proteine der Zellen sowohl auf ihrer Oberfläche als auch in ihrem Inneren mit großer Präzision nachzuweisen. Mit dieser Methode konnten die Forscher mehr als dreißig Zellmarker messen.

"Wir haben festgestellt, dass die Funktionalisierung von Graphen mit Aminogruppen seine Biokompatibilität im Vergleich zu 'nacktem' Graphenoxid erhöht", so Delogu. "Außerdem konnten wir spezifische Stimuli von funktionalisiertem Graphen in zwei Zelltypen identifizieren: Monozyten und dendritische Zellen". 

Es wurde auch eine tiefgreifende Transkriptomanalyse durchgeführt, um zu sehen, wie die genetische Expression in Immunzellen verändert wird. Die Ergebnisse bestätigen, dass Aminogruppen die durch Graphenoxid verursachten Störungen im zellulären Stoffwechsel verringern und somit seine Biokompatibilität erhöhen.

"Eine positive spezifische Wirkung von Graphenoxid auf bestimmte Immunzellen kann ein hervorragender Ausgangspunkt für die Entwicklung biomedizinischer Plattformen auf der Grundlage dieses Materials sein, z. B. für neue Immuntherapien, Impfstoffträger und Nano-Adjuvantien", sagt Delogu. Sie erinnert auch daran, dass Materialien auf Graphenbasis leicht mit Medikamenten und anderen Molekülen auf ihrer Oberfläche konjugiert werden können, "um ihre Funktion und die Spezifität für das gewünschte Ziel zu verbessern".

Die Forscher betonen, dass die Entdeckung der am besten geeigneten "Funktionalisierungen" von Graphen für Fortschritte bei medizinischen Anwendungen entscheidend sein wird: Diagnoseinstrumente, Gewebezüchtung, Übertragung von genetischem Material sowie im kombinierten Bereich der biomedizinischen Bildgebung und der Neurowissenschaften.

Diese Studie ist Teil von G-IMMUNOMICS, einem Partnerschaftsprojekt der europäischen Graphen-Flaggschiff-Initiative. Unter Verwendung von immungenomischen und Proteindaten soll sie eine sicherere Nutzung von Graphen in der Medizin und vielen anderen Bereichen ermöglichen und seine Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt minimieren. Derzeit werden die Auswirkungen von Graphen nicht nur in menschlichen Zellen, sondern auch in denen von Schweinen, Mäusen und dem Wurm C. elegans analysiert.