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Nierentransplantationen gehören zu den häufigsten Transplantationen weltweit. Nierentrans-plantatempfänger unterziehen sich regelmäßigen Untersuchungen, u. a. um eine Nierenabsto-ßung frühzeitig festzustellen. Für die Diagnose wird oft der Anstieg des Serum-Kreatinin-Werts zum Anlass für die Durchführung einer Transplantatbiopsie genommen, sie gilt als diagnostischer Goldstandard für Abstoßung. Die Biopsie ist allerdings aufwändig, schmerzhaft und mit möglichen Komplikationen (Blutung, Infektionsrisiko) verbunden. Der Serum-Kreatinin-Anstieg zeigt häufig auch unspezifisch andere Transplantatstörungen an. Daher werden Alternativen zur spezifischen Früherkennung der Nierentransplantatabstoßung gesucht. Dabei eignet sich der Nachweis spezifischer, immunologisch bedeutsamer Biomarker, die bei einer Abstoßung vom Körper produziert werden. Deren Analyse könnte als Point-of-Care-Test eine schnelle, hoch sensitive sowie schmerz- und nebenwirkungsfreie Möglichkeit der Abstoßungs-diagnostik bieten. Ein Lateral Flow Assay (LFA) bietet sich hier als Testplattform an, die inner-halb von Minuten nachweist, ob der Biomarker z. B. im Urin vorliegt. In dieser Arbeit wurden die Biomarker C-reaktives Protein (CRP), der lösliche Interleukin-2-Rezeptor (sIL-2Rα, auch sCD25) und CXCL9 (auch MIG, Monokine induced by Gamma-Interferon) ausgewählt. Durch mehrere Biomarkerstudien wurden die Biomarker sCD25 und CXCL9 mittels Mann-Whitney-U-Test als signifikant erhöht während verschiedener Formen einer Nierenabstoßung identifiziert. CRP zählt zu den Akute-Phase-Proteinen und dient zur Ab-grenzung einer allgemeinen Entzündungsreaktion. Für das Chemokin CXCL9 wurden Antikörper generiert und mittels Enzyme-linked Immunoabsorbent Assay validiert, für CRP und sCD25 kommerziell erhältliche Antikörper verwendet. Vor der LFA-Entwicklung wurden Microarrays als Modell verwendet, um zunächst die Bindungseigenschaften der Antikörper zu untersuchen. Zur Visualisierung des Testergebnisses auf dem LFA wurden mittels Flokkulationstest Konjugate aus Goldnanopartikeln und Antikörpern untersucht. Anschließend wurde für jeden Biomarker ein LFA aufgebaut, optimiert und etabliert. Die Validierung der etablierten LFAs zur Detektion von sCD25 und CXCL9 fanden anhand von Urin- und Plasmaproben von Nierentransplantat-Empfängern, deren Diagnose nach BANFF-Kriterien erstellt wurde, statt. Somit konnte für den sCD25-LFA eine Sensitivität von 87,5 % und eine Spezifität von 84,6 % erreicht werden. Bei Verwendung der geschätzten glomerulären Filtrationsrate auf Basis des Serum-Kreatinin-Wertes am Tag der Transplantatbiopsie zur Diagnosestellung einer Abstoßung wurde nur eine Sensitivität von 85 % bei einer Spezifität von 30,8 % erzielt. Der LFA zur Detektion von CXCL9 zeigte eine Sensitivität von 53 % und eine Spezifität von 71 % auf.

Goldnanopartikel werden in der kolloidalen Katalyse als Modellsystem genutzt, um den Einfluss des Partikelgröße, der Partikelform und der Zusammensetzung in bimetallischen Systemen sowie der Ligandensphäre auf die katalytische Reduktion von 4-Nitrophenol zu 4-Aminophenol zu untersuchen. Goldnanopartikel eignen sich vor allem deshalb als Modellsystem, da sie in kurzer Zeit, in hohen Ausbeuten und mit definierten Eigenschaften hergestellt werden können. Es konnte erstmals nachgewiesen werden, dass Goldnanopartikel mit einem Durchmesser von 13 nm die höchste katalytische Umsetzungsrate bei der Reduktion von 4-Nitrophenolzu 4-Aminophenol besitzen. Im Zuge dieser Arbeit wird dieses Aktivitätsmaximum der Nanopartikel näher untersucht. Dazu werden drei Aspekte vorgestellt: die Abhängigkeit von der Goldnanopartikelform, die Abhängigkeit der Substratgröße und der Einfluss der Ligandensphäre auf die Katalyse. Überraschenderweise ist CTAB als oberflächenaktiver Ligand ein Co-Katalysator bei der Reduktion, während die Anwesenheit von Natriumcitrat die Reaktion verlangsamt. Es wurden Aspekte wie die Konzentration und die Größe der Goldnanopartikel in dem komplexen Wechselspiel der Aktivitäten des Katalysators und Co-Katalysators untersucht. Dies führte zu der beispielgebenden Erkenntnis, dass oberflächenaktive Liganden mit positiver Ladung und Stickstofffunktionen die Katalyse positiv beeinflussen. In einer weiteren Studie wurde der Reaktionsmechanismus der 6-Elektronenreduktion von 4-Nitrophenol zu 4-Aminophenol erforscht. Es konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass die Reduktion in zwei Teilschritten abläuft. N-Arylhydroxylamin ist als wichtiges Intermediat in der Lösung der Reduktion erstmals nachgewiesen worden. Drei kinetische Regime werden für die Reduktion von 4-Nitrophenol gefunden und geben einen Einblick in die Oberflächenreaktion von Nitroaromaten an Goldnanopartikeln. Gold nanoparticles as model systems in colloidal catalysis are used to gain insights into the decisive parameters of the catalytic model reduction. Size, shape, composition of bimetallic systems, and ligand sphere are factors influencing the reduction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol by sodium borohydride in the presence of gold nanoparticles. The increasing interest in gold nanoparticle catalysis is mainly due to their stability, their fast and high yield synthesis as well as their extraordinary diversity of the modes of preparation. This thesis is assigned to unravel the important parameters of gold nanoparticle catalysis. In the first part of the thesis, CTAB-stabilized gold nanoparticles were synthesized by applying the seeding-growth approach in order to gain information about the size dependence of the catalytic reduction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol with sodium borohydride. Unexpectedly, CTAB-stabilized gold nanoparticles with a diameter of 13nm were most efficient in this complex system. In this context, molecular aspects such as shape, size of the substrate and ligand sphere were discussed as possible reasons for the enhanced activity for medium sized gold nanoparticles. Here, it was shown for the first time that the ligand sphere plays a crucial role in colloidal catalysis. Micellar catalysis with colloidal gold nanoparticles was performed by means of ligand exchange procedures. In addition, this thesis shows for the first time that intermediates can be unambiguously identified in the reaction solution with colloidal gold nanoparticles as catalysts. 4-N-hydroxylaminophenol was found to be the key intermediate in this system. In this context, three kinetic regimes which were crucial for the aromatic nitro reduction are found to cover the reaction kinetics. Thus, this thesis provides new insight into the catalytic process itself and leads to a better understanding of the catalytic activity of gold nanoparticles.

In the context of this work it was demonstrated that DNA-functionalized gold nanoparticles equipped with glycoconjugates were bound by carbohydrate binding proteins (lectins) in a specific manner. Biomolecular self recogonition led to the formation of particle lectin networks which were able to dissociate by two independent stimuli, namely temperature and addition of sugar. Further it was demonstrated that the uptake or binding of the nanoparticle conjugates by hepatocytes (HepG2) was mediated by charge driven interactions, as likely by scavenger receptors, while a specific recognition of the glyco termini by the asialoglycoprotein receptor (ASGP R) could not be proven. Amino-modified glyco conjugates (N-acetyl-D-glucosamin (GlcNAc) and (poly-)N-acetyllactosamin ((poly-)LacNAc)) were used for glyco functionalization of gold nanoparticles. By binding the amino group to N-hydroxysuccinimide esters the carbohydrates were coupled covalently with disulfide modified PEG ligands or oligonucleotides respectively which allow the binding to the surface of gold nanoparticles. The specific binding of different lectins (Griffonia (Bandeiraea) simplicifolia Lectin II (GS-II) or Galektin 1 and 8 respectively) to the carbohydrates in the periphery of the ligand shell led to cross-linking of the nanoparticles which was observable in a change of the plasmon band, an increase of the hydrodynamic diameter or in the formation of a structure factor in the scattering curve. By competition with free sugar particle networks were dissociated or the lectin-mediated assembly was inhibited. Networks built up by DNA-functionalized gold nanoparticles and lectins could further be dissociated by thermal DNA melting. In addition to specific interactions unspecific attractive interactions between DNA-functionalized gold nanoparticles and galectins were observed. Based on the specific addressability of lectins in solutions by glyco-DNA-gold nanoparticles ASGP-R, a cell membrane bound lectin with affinity for terminal D-galactose, should be addressed in order to achieve a specific uptake or binding of DNA-functionalized gold nanoparticles by certain cells. The interactions between di-LacNAc-DNA-functionalized gold nanoparticles and hepatocytes (HepG2 cells) were investigated. Besides ASGP-R these cells express scavenger receptors (SR-BI). By blocking both receptors with D-lactose and fucoidan respectively it was demonstrated by flow cytometry that di-LacNAc-DNA-functionalized gold nanoparticles were taken up likely by scavenger receptors while a specific interaction with the ASGP-R could not be demonstrated. Besides this other pathways for particle uptake are possible. Poly-LacNAc-DNA-functionalized gold nanoparticles could be potentially used to address galectin overexpressing cancer cells. This could lead to applications in the field of targeted drug release or gene regulation.

The spatial dimensions of nanoparticles resemble those of biomolecules. The properties of nanoparticles can be adjusted by chemical synthesis and the particles are good sensors and actuators of biomolecular processes. By attaching biomlecules to nanoparticles they can be marked selectively, signals can be tapped from and transmitted to them. Gold nanoparticles with a diameter of two up to circa 100 nm are characterised by their intensive light absorption which is caused by excitation of collective oscillations of valence band electrons, the so called plasmon resonance. The plasmon resonance wavelength is, amongst others, a function of the direct particle environment such that changes therein can be monitored spectroscopically. In this thesis, biomolecule gold nanoparticle hybrid materials are shown to not only be a sensor but also an actuator of biomolecular processes on the nanoparticle surface. Therefore, biomolecule nanoparticle suspensions were irradiated by continuous laser light and simultaneously monitored by UV/Vis spectroscopy. First, DNA double strand functionalized gold nanoparticles were investigated. The aim was to induce DNA dissociation by photothermally heating the particles but the temperature dependence of the optical properties of the applied aggregates was considered to low to give unambiguous results. Then, DNA double strand gold nanoparticle networks were analyzed. They exhibited a spectral blueshift of the plasmon resonance wavelength by several nm when heated a few °C. Here, DNA dissociation could be triggered photothermally without markedly damaging the DNA molecules. Using in situ UV/Vis spectroscopy this could be monitored and it was possible to quantify the photothermal temperature increase in DNA melting experiments. Also, first evidence was found that the photothermal temperature increase was a function of the goldnanoparticle network size. Further, using horse radish peroxidase functionalized gold nanoparticles an enzymatic oxidation reaction was successfully manipulated for the first time. Again, this was monitored using in situ UV/Vis spectroscopy and by comparing the activity of non-irradiated and irradiated enzyme nanoparticle suspensions the photothermal temperature increases was determined.