Dialysis-gewonnene Kaulquappen- und Kugel-Hemin-Nanopartikel: 308-fache Löslichkeitssteigerung für die Eisen-Bioverfügbarkeit

Zusammenfassung

Hemin, eine hoch bioverfügbare Eisenquelle, ist durch seine vernachlässigbare wässrige Löslichkeit limitiert. Wir berichten über einen einfachen dialysebasierten Ansatz, der zwei unterschiedliche Hemin-Nanopartikel-Morphologien liefert – kaulquappenförmig (≈200 nm Kopf, 100 nm Schwanz) und kugelförmig (50–100 nm). Beide Formen weisen eine dramatisch verbesserte Löslichkeit auf, wobei kugelförmige Partikel bei 25 °C eine 308-fache Steigerung im Vergleich zu freiem Hemin erreichen. Die Nanopartikel bleiben über sauren pH-Bereich, hohe Temperaturen und ionische Stärke stabil und zeigen eine starke Nahinfrarot-Absorption, was sie als vielversprechende Kandidaten für Lebensmittelanreicherung, biomedizinische Wirkstofffreisetzung und photothermale Therapien positioniert.

Einleitung

Eisenmangel betrifft fast 20 % der Weltbevölkerung und führt zu Anämie und verminderter Lebensqualität. Während nicht-häm-Eisen aus pflanzlichen Quellen leicht verfügbar ist, ist seine Absorption oft suboptimal. Hemin – gewonnen aus Hämoglobin und Myoglobin – bietet eine überlegene Absorption (50–87 %), leidet jedoch unter Hydrophobie und schlechter Löslichkeit, was seine praktische Anwendung behindert. Konventionelle Strategien wie Proteinkomplexierung, Ko-Kristallisation mit Arginin und Cyclodextrin-Einschluss haben die Löslichkeit verbessert, beinhalten jedoch komplexe Verfahren, die die Skalierbarkeit einschränken.

Nanotechnologie bietet einen überzeugenden Weg, die physikochemischen Eigenschaften hydrophober Bioaktiva zu verbessern, ohne sensorische Attribute zu verändern. Nanopartikel können die scheinbare Löslichkeit erhöhen, die Bioverfügbarkeit steigern und eine gezielte Freisetzung ermöglichen. Hier entwickeln wir eine einfache Dialysemethode zur Herstellung chemisch distinkter Nanopartikel, evaluieren ihre Morphologie, physikochemische Stabilität und Löslichkeit und beleuchten ihr Anwendungspotenzial.

Materialien und Methoden

Materialien

Hemin und Dialysemembranen (8–12 kDa) wurden von Beijing Solarbio bezogen. Aceton (≥ 99,5 %) stammte von Kant Chemical. Alle anderen Reagenzien waren analytischer Grad.

Herstellung der Hemin-Nanopartikel

Hemin (0,1 oder 0,5 mg mL⁻¹) wurde in mit 0,1 mL HCl angesäuertem Aceton gelöst. Die Lösung wurde gegen deionisiertes Wasser dialysiert, wobei das Wasser täglich gewechselt wurde, bis das Gefriertrocknen Nanopartikel lieferte. Variierte Parameter umfassten Hemin/Wasser-Verhältnisse (1:3, 1:5, 1:10, 1:50), Temperaturen (4 °C oder 25 °C) und Dialysedauern (1–5 Tage).

Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)

Aufnahmen erfolgten an einem Hitachi 7700 TEM bei 80 kV. Proben wurden auf kohlenstoffbeschichtete Gitter aufgetropft und gefriergetrocknet.

Dynamische Lichtstreuung (DLS)

Größe, ζ-Potenzial und PDI wurden mit einem Malvern Zetasizer Nano gemessen (0,05 % Verdünnung in MilliQ-Wasser, 25 °C).

UV-Vis-Spektroskopie

Absorptionsspektren (200–800 nm) wurden mit einem TU-1810 Spektrophotometer aufgezeichnet. Konzentrationen wurden bei 640 nm bestimmt.

Löslichkeitsassay

Übersättigte Lösungen von freiem Hemin und Nanopartikeln wurden bei 25, 37, 60 und 80 °C (500 rpm, 30 min) gerührt. Überstände wurden zentrifugiert, verdünnt und per UV-Vis analysiert.

Stabilitätstests

Nanopartikelsuspensionen (0,5 mg mL⁻¹) wurden pH 2–11, Temperaturen 25–80 °C und NaCl (0–500 mM) ausgesetzt. Größe, ζ-Potenzial, PDI und Trübung wurden über Nacht bei 25 °C überwacht.

FTIR, Fluoreszenz und XRD

FTIR-Spektren (400–4000 cm⁻¹) wurden mit einem Jasco Tensor 27 erfasst. Fluoreszenz (Anregung 402 nm, Emission 300–600 nm) wurde an einem Hitachi F-7000 gemessen. XRD-Muster (2θ 4–40°) erhielten wir mit einem Bruker AXS D8 ADVANCE.

Ergebnisse und Diskussion

Bildung und Morphologie

Bei 0,5 mg mL⁻¹ Hemin entstanden kugelförmige Nanopartikel (50–100 nm) bei einem Hemin/Wasser-Verhältnis von 1:10 nach 3 Tagen Dialyse. Höhere Verhältnisse (1:50) erzeugten stabförmige Aggregate. Im Gegensatz dazu lieferte 0,1 mg mL⁻¹ Hemin unter identischen Bedingungen kaulquappenförmige Partikel (≈200 nm Kopf, 100 nm Schwanz). TEM bestätigte monodisperse Strukturen; DLS zeigte hydrodynamische Durchmesser von 218 ± 6 nm (Kugeln) und 300 ± 8 nm (Kaulquappen). ζ-Potenziale betrugen −21 mV (Kugeln) und −11 mV (Kaulquappen), was auf gute kolloidale Stabilität hinweist. PDI-Werte (0,35–0,40) spiegelten enge Größenverteilungen wider.

Optische Eigenschaften

UV-Vis-Spektren zeigten eine Verschiebung des Soret-Bandes von 344 nm (freies Hemin) auf 265 nm (Nanopartikel), was auf verstärkte π-π-Konjugation hinweist. Beide Nanopartikelformen zeigten starke Nahinfrarot-Absorption (≈660–770 nm), vorteilhaft für photothermale und photoakustische Anwendungen. Fluoreszenzemission erreichte ihr Maximum bei 500 nm, höher als bei freiem Hemin, wahrscheinlich aufgrund der erhöhten Löslichkeit.

Löslichkeitssteigerung

Die Löslichkeit von freiem Hemin bei 25 °C betrug 0,009 mg mL⁻¹. Kugelförmige Nanopartikel erreichten 1,33 mg mL⁻¹, eine 308-fache Steigerung. Kaulquappenförmige Partikel lösten sich bis zu 1,00 mg mL⁻¹. Die Löslichkeit stieg bei allen Proben mit der Temperatur, was eine thermisch aktivierte Auflösung bestätigt.

Strukturelle Bestätigung

FTIR-Spektren zeigten verbreiterte N-H/O-H-Banden (3470 cm⁻¹) in den Nanopartikeln, was auf stärkere Wasserstoffbrückenbindungen hinweist. XRD-Muster der Kugeln behielten die kristallinen Peaks von freiem Hemin bei, während Kaulquappen eine reduzierte Kristallinität (35,7 % vs. 56,7 % für freies Hemin) aufwiesen, was auf partielle Amorphisierung hindeutet.

Stabilität

Nanopartikel blieben unter saurem pH (≤ 7) stabil mit minimalen Größen- und PDI-Änderungen. Bei alkalischem pH (≥ 9) nahm die Aggregation zu (> 400 nm). Thermische Belastung bis 80 °C verursachte leichtes Größenwachstum, erhielt aber die kolloidale Integrität. Hohe ionische Stärke (≥ 250 mM NaCl) führte zur Destabilisierung der Dispersion.

Schlussfolgerungen

Wir haben erfolgreich kaulquappen- und kugelförmige Hemin-Nanopartikel über eine einfache Dialysemethode hergestellt und eine 308-fache Löslichkeitssteigerung bei 25 °C erreicht. Die Partikel zeigen exzellente Säure- und Thermostabilität sowie starke Nahinfrarot-Absorption, was sie als vielseitige Plattformen für Eisanreicherung, Wirkstofffreisetzung und photothermale Therapien positioniert. Zukünftige Forschung wird sich auf das Beladen von Therapeutika und die Optimierung optothermischer Antworten konzentrieren.