Investigation on cellular uptake of gold nanoparticles by multiphoton laser scanning microscopy

Abstract

Nano-based drug delivery systems (DDS) have attracted great interest recently due to the superior targeting or/and biobarriers-crossing abilities over conventional DDS. Better knowledge regarding cellular uptake behavior of nanoparticles that might be highly relevant to their cytotoxicity and physiological functions is essential. Current work in this aspect was restricted mainly due to lack of rational technique for imaging and quantification. Therefore, our aim is to pursuit a preferable approach to image and quantify the cellular uptake process of nanoparticles. In this thesis, gold nanoparticles (AuNPs) were used as model particles. Multiphoton laser scanning microscopy was applied for exploring the cellular uptake process of AuNPs in A549 cells. The study on the multiphoton absorption induced luminescence (MAIL) of gold revealed the ongoing of the luminescence along with second harmonic generation (SHG) contributing to the final optical signal of AuNPs. By exploiting the MAIL of gold, an approach enabling simultaneous visualization and quantification of AuNPs at cellular scale was established. Experimental results in 24 h demonstrated uptake degree rising with the increase of particles size, whereas the uptake velocity showed an opposite trend. Above results will greatly expand our previous understanding on the cellular uptake mechanism of AuNPs and will be a steady step into further exploration on the interaction of nanoparticles with cells.

Drug-Delivery Systeme auf nm-Ebene haben auf Grund ihrer außergewöhnlichen Interaktion mit biologischen Barrieren in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Ein besseres Verständnis der Wechselwirkung zwischen Biosystemen und Nanopartikeln, insbesondere das Aufnahmeverhalten in Zellen ist unabdingbar. Zudem sind diese Daten relevant für die Zytotoxizität und die physiologische Funktion. Gegenwärtig existiert keine passende Abbildungs- und Quantifizierungsmöglichkeit auf nm-Ebene. Daher war Ziel dieser Arbeit einen gut nutzbaren Ansatz zum Abbilden und Quantifizieren der partikulären, zellulären Aufnahme zu entwickeln. In dieser Arbeit wurden Goldnanopartikel (AuNP) als Modellpartikel eingesetzt. Mit Multiphoton Laser Raster Mikroskopie wurde die Aufnahme von unterschiedlich großen AuNP in A549 Zellen untersucht. Dabei wurde mit Multiphotonen Absorptions-induzierter Emission (MAIL) eine systematische Studie durchgeführt, die belegt, dass das Signal der AuNP sich aus einem Beitrag der „second harmonic generation“ (SHG) und der Lumineszenz zum optischen Gesamtsignal zusammensetzt. Mithilfe der plasmonischen Eigenschaften, war es möglich zu quantifizieren und gleichzeitig zu visualisieren. Experimente über einen 24-Stunden Zeitraum zeigten, dass größere Partikel zu einer besseren Aufnahmeeffizienz führen, während für die Aufnahmerate kleine Größen bevorzugt sind. Dies macht das Potenzial der Methode und der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von AuNP als Transportsysteme für Wirkstoffe deutlich.