Perspektiven der Synchrotronstrahlung in der Biologie

10. März 2021

Foto: American Chemical Society

Röntgenbasierte Analytik wird routinemäßig in vielen Bereichen eingesetzt, darunter Physik, Chemie, Materialwissenschaften und Ingenieurswesen.

Was könnten Röntgenstrahlen, insbesondere Synchrotronstrahlungen, für biologisch motivierte Experimente leisten? Was sind die Chancen und Perspektiven für die Zukunft? Ein internationales Forschungsteam, darunter viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Hamburg und des Exzellenzclusters „CUI: Advanced Imaging of Matter" teilt seine Einschätzungen darüber in einem gemeinsamen Artikel in der Fachzeitschrift ASC Nano. Die Diskussion wird vor allem von der Frage geleitet, wie röntgenbasierte Methoden helfen könnten, die Medikamentengabe mit Hilfe von Nanopartikeln genauer zu verstehen und zu verbessern.

Röntgenbasierte Analytik wird routinemäßig in vielen Bereichen eingesetzt, darunter Physik, Chemie, Materialwissenschaften und Ingenieurswesen. Insbesondere in den Lebenswissenschaften und in der Medizin ist das volle Potenzial solcher Techniken jedoch längst nicht ausgeschöpft. Daher beleuchten die Forschenden aktuelle und kommende Entwicklungen in dieser Richtung. Sie beschreiben verschiedene röntgenbasierte Methoden, einschließlich der Nutzung von Synchrotronstrahlungsquellen und Freie-Elektronen-Röntgenlaser, und deren Anwendungsmöglichkeiten für die Untersuchung der Schnittstelle zwischen Nano- und Biotechnologie. Dabei diskutieren sie auch aktuelle Einschränkungen und wie diese überwunden werden könnten.

„Das Besondere an unserem Artikel ist, dass Visionen dessen aufgezeigt werden, was in Zukunft möglich sein könnte", sagt Prof. Wolfgang Parak vom Fachbereich Physik der Universität Hamburg. So erwarten die Forschenden Verbesserungen in der Entwicklung von Röntgenlichtquellen, die deren Einsatz in biologisch-medizinischen Experimenten ermöglichen, die bisher nicht realisierbar waren. Anorganische Nanopartikel sind aufgrund ihrer hohen Röntgenabsorptionsquerschnitte und ihrer möglichen Konjugation mit Wirkstoffen ein wichtiger Teil des molekular- und nanowissenschaftlichen Werkzeugkastens, um solche Entwicklungen zu nutzen. Außerdem erwarten die Autorinnen und Autoren, dass Röntgentechniken in Zukunft deutlich öfter zur Erforschung der Mechanismen therapeutischer Nanomaterialien eingesetzt werden. Da derzeit große Anstrengungen unternommen werden, bessere kompakte Röntgenquellen zu entwickeln, gehen sie auch von Anwendungen für Experimente im Labor, in der Präklinik und in der Klinik aus. Und sie prognostizieren, dass Röntgenstrahlen eine wichtige, grundlegende Rolle bei der Weiterentwicklung der Nanomedizin in den nächsten Jahrzehnten spielen werden.

„Der Artikel bringt verschiedene Fachgebiete zusammen und zeigt so auch sehr schön, wofür unser Cluster steht", sagt Parak. „Das Ergebnis ist eine komprimierte Gemeinschaftsarbeit und ein breiter Überblick, der hoffentlich für viele Leute interessant ist, die wissen wollen, was man mit Synchrotronstrahlung in der Biologie machen kann und könnte."

Originalpublikation:

C. Sanchez-Cano, R.A. Alvarez-Puebla, J. M. Abendroth, T. Beck, R. Blick, Y. Cao, F. Caruso, I. Chakraborty, H. N. Chapman, Ch. Chen, B. E. Cohen, A. L. C. Conceicão, D. P. Cormode, D. Cui, K. A. Dawson, G. Falkenberg, Ch. Fan, N. Feliu, M. Gao, E. Gargioni, C.-C. Glüer, F. Grüner, M. Hassan, Y. Hu, Y. Huang, S. Huber, N. Huse, Y. Kang, A. Khademhosseini, Th. F. Keller, Ch. Körnig, N. A. Kotov, D. Koziej, X.-J. Liang, B. Liu, S. Liu, Y. Liu, Z. Liu, L. M. Liz-Marzán, X. Ma, A. Machicote, W. Maison, A. P. Mancuso, S. Megahed, B. Nickel, F. Otto, C. Palencia, S. Pascarelli, A. Pearson, O. Peñate-Medina, B. Qi, J. Rädler, J. J. Richardson, A. Rosenhahn, K. Rothkamm, M. Rübhausen, M. K. Sanyal, R. E. Schaak, H.-P. Schlemmer, M. Schmidt, O. Schmutzler, Th. Schotten, F. Schulz, A. K. Sood, K. M. Spiers, Th. Staufer, D. M. Stemer, A. Stierle, X. Sun, G. Tsakanova, P. S. Weiss, H. Weller, F. Westermeier, M. Xu, H. Yan, Y. Zeng, Y. Zhao, Y. Zhao, D. Zhu, Y. Zhu, and W. J. Parak

“X‑ray-Based Techniques to Study the Nano−Bio Interface”

ASC Nano XXXX, XXX, XXX−XXX (2021, in press)

DOI: 10.1021/acsnano.0c09563