Qualitative and absolute quantitative studies of the cell-nanoparticle interaction

This thesis focused on the polymer’s influence on the interaction of polymeric NPs with epithelial cells. Furthermore, the measurement of single submicron nanoparticles in a commercially available flow cytometer was established, to provide a new method in the toolbox for nanoparticle-cell studies. This gave way to develop a routine for the absolute quantification of intracellular NPs via flow cytometry. rnThe cellular uptake of poly(methyl methacrylate) (PMMA), polystyrene (PS) and poly(L-lactide) (PLLA) nanoparticles was investigated via flow cytometry. PLLA-NPs were internalized the most efficiently. But upon co-incubation of PS and PLLA particles with cells, the two particles mutually influenced their uptake, slightly shifting the relative uptake efficiencies. This phenomenon should be based on specific properties of the different polymer materials. The findings indicated a competition (which is strongly influenced by properties of the respective polymeric material) for the uptake into the cells, allegedly due to competition for specific coatings with serum components that enhances the NPs’ cellular uptake. The fluorescence of single 150 nm particles was determined with a benchtop cytometer, breaching the machine’s detection limit but yielding precise NP fluorescence standardization factors. Up to now, these standardization factors are mostly determined by spectroscopic analysis of the particles’ dye content. Finally a flow cytometric routine for absolute particle counting in cells was devised. This quantitation revealed a low uptake efficiency for un-functionalized PMMA NPs of less than 150 NPs (approx. 0,001 % of added) per cell.rn

In dieser Arbeit wurde der Einfluss des Polymermaterials auf die Zellaufnahme polymerer NP untersucht. Außerdem wurde die Messung kleiner NP in einem kommerziell erhältlichen ‘Standard’ Durchflusszytometer etabliert, als Ergänzung des Methodenspektrums auf dem Gebiet der Partikel-Zell-Interaktion. Darauf basierend konnte zudem ein Protokoll zur absoluten Quantifizierung von Nanopartikeln in Zellen entwickelt werden. rnDie durchflusszytometrische Untersuchung der zellulären Aufnahme von NP aus Polymethylmethacrylat (PMMA), Polystyrol (PS) und Poly(L-lactid) zeigte, dass PLLA-NP am effizientesten aufgenommen werden. Bei der gleichzeitigen Co-Inkubation von PS- und PLLA-Partikeln beeinflussten sich diese NP gegenseitig in ihrer zellulären Aufnahme. Da diese Partikel ansonsten dieselben Eigenschaften hatten ist dieser Effekt auf das Polymermaterial selbst zurückzuführen. Die Ergebnisse wiesen auf eine (durch die Polymereigenschaften ganz wesentlich beeinflusste) Konkurrenz um spezifische Serumbestandteile hin – welche auf die Partikeloberfläche adsorbieren und die zelluläre Aufnahme des Partikels fördern. Im zweiten Abschnitt dieser Arbeit wurde die Fluoreszenzintensität von einzelnen Nanopartikeln (Durchmesser 150 nm) in einem benchtop Durchflusszytometer gemessen, was bereits nahe der Nachweisgrenze des Gerätes lag. Die Messungen lieferten präzise Standardisierungsfaktoren der Partikelfluoreszenzintensität, was sonst nur über aufwendigere spektroskopische Analysen des Partikel-Farbstoffgehalts möglich ist. Abschließend wurde eine Methode zur absoluten Quantifizierung von Partikeln in Zellen mittels Durchflusszytometrie entwickelt. Diese Quantifizierungsmethode zeigte die geringe Aufnahmeeffizienz von nicht-funktionalisierten PMMA-Partikeln auf, die im Bereich von 0,001% der Zugabe lag.rn