Multi-mode atomic force microscope as a versatile tool for bionanotechnology

Der Kern dieser Arbeit ist die Multi-Mode-Rasterkraftmikroskopie, die ein nützliches und leistungsfähiges Werkzeug zur Charakterisierung von Proben im Mikro- und Nanogrößenbereich darstellt. Verschiedene Modi können spezifizierte Anforderungen verschiedener Proben erfüllen, wie u.a. Messung der Topographie, des elektrostatischen Potentials der Oberfläche, magnetische Domänen, einzelne molekulare Kraftanalyse und Echtzeit-Monitoring-System. Dabei kann in Luft, Flüssigkeit und im Vakuum gemessen werden. Das macht das Rasterkraftmikroskop (AFM) zu einem flexiblen, universellen Werkzeug für die biologische Nanowelt. Die Themen bestehen aus unterschiedlichen Arbeitsweisen in Richtung biologische Anwendungen mit Multi-Mode- Rasterkraftmikroskopie. Zuerst wurde anhand quantitativer, topographischer Messungen die Zellmorphologie und Oberflächenveränderungen nach Aufnahme verschiedener Nanopartikel beobachtet. Bei konzentrationsabhängigen Experimenten konnte das Volumen und die Anzahl von Filopodien anhand der topologischen AFM-Aufnahmen berechnet werden. Dadurch wurde bestätigt, dass die zelluläre Morphologie eine wichtige Rolle für die quantitative Angabe schädlicher Auswirkungen durch Nanopartikel auf Zellen spielt. Zusätzlich wurden die Nanopartikel enthaltenen Zellen einem rotierenden Magnetfeld ausgesetzt und anschließend ihre Oberfläche erneut vermessen. Die Rauigkeit der Zelloberflächen, die aus Störungen der Zellmembranintegrität resultierte, wurde für die Untersuchung von magneto-Zell-Porenbildung und magneto-Zell-Analyse herangezogen. Als weiterer Teil dieser Arbeit wurden durch Einzelmolekülkraftspektroskopie an Goldnanopartikeln (AuNP) mit verschiedenen Durchmessern, die mit Polyethylenglykol (PEG) unterschiedlicher Dicke beschichtet waren, Elastizitätsmessungen durchgeführt. Hierzu wurde mit einer konischen Spitze auf die Nanopartikel gedrückt und die Auslenkung der Spitze in Funktion ihrer vertikalen Position gemessen. Zur Berechnung der Elastizität wurde die Sneddon- Gleichung genutzt. Die Elastizität dient als eine der grundlegenden physikalisch-chemischen Parameter der Beschreibung struktureller und funktioneller Zellparameter. Im dritten Teil dieser Arbeit wurden superparamagnetische Eisendioxid (Fe3O4)–Nanopartikel mit Tetradine beschichtet (co-geladene NP) und in Zellen internalisiert. Anschließend wurden die magnetischen Eigenschaften dieser Zellen mit AFM gemessen. Die beobachteten magnetischen Domänen waren den Fe3O4-Nanopartikeln zuzuordnen. Diese Nanopartikel können durch ihre magnetische Eigenschaft zur Ablation von Tumorzellen verwendet werden, sodass verbesserte Anti-Krebs-NP realisiert werden können. Im nächsten Teil dieser Arbeit wurde das elektrostatische Potential der Oberfläche einer mutierten Purpurmembran (PM), die durch funktionelle Nanopartikel modifiziert war, anhand elektrostatischer Kraftmikroskopie (EFM) mit der AFM gemessen. Dazu wurde eine Spannung zwischen einer leitenden, oszillierenden Spitze und der modifizierten PM angelegt. Die Spitze wurde in einem vertikalen Offset zur Probe so angehoben, dass sie eine langfristige elektrostatische Kraft ohne Wirkung der molekularen Abstoßungskraft ausüben konnte. Aus der Phasenverschiebung der Oszillation der Spitze bei einer bestimmten Frequenz wurde das EFM-Signal extrahiert und zur Charakterisierung der elektrostatischen Eigenschaften dieser neuartigen Biomembran herangezogen. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde ein System zur Beobachtung der Lebendigkeit von Zellen in Echtzeit entwickelt. Dieses System basiert auf Zelladhäsionseigenschaften in Zusammenspiel mit dem Schwingungssystem des AFM. Die Amplitude eines bei einer definierten Frequenz schwingenden Cantilevers ist stark abhängig von dessen Masse. Durch Aufbringen von Zellen auf den Cantilever konnte die Gesamtmasse des Cantilevers erhöht werden, somit stieg auch die Amplitude der Schwingung. Nach Apoptose ließ die Zellhaftung stark nach und die Amplitude sank wieder. So konnte die toxische Wirkung verschiedener Substanzen auf die Vitalität der Zellen in Echtzeit aufgenommen und quantitativ beschrieben werden.