Nanopartikler og stamcelleapplikasjoner

Applikasjoner som kombinerer nanopartikler med stamceller

Nanoteknologi og biomedisinske behandlinger ved hjelp av stamceller (som terapeutisk kloning) er blant de nyeste årene av bioteknologisk forskning. Enda nylig har forskere begynt å finne måter å gifte seg med de to. Siden 2003 har eksempler på nanoteknologi og stamceller samlet seg i vitenskapelige tidsskrifter. Mens de potensielle bruksområdene for nanoteknologi i stamcelleforskning er utallige, kan tre hovedkategorier tilordnes deres bruk:

- 9 ->

• sporing eller merking
• levering
• stillas / plattformer

Visse nanopartikler har vært i bruk siden 1990-tallet, for applikasjoner som kosmetisk / hudpleie, levering av stoffer og merking. Eksperimentering med forskjellige typer nanopartikler, som kvantepotter, karbonnanorør og magnetiske nanopartikler, på somatiske celler eller mikroorganismer, har gitt bakgrunnen fra hvilken stamcelleforskning er blitt lansert. Det er et lite kjent faktum at det første patentet for fremstilling av nanofibre ble registrert i 1934. Disse fibrene ville etter hvert bli grunnlaget for stillasene for stamcellekultur og transplantasjon - over 70 år senere.

Visualisering av stamceller Ved bruk av MR og SPIO-partikler

Forskning på applikasjoner av nanopartikler for magnetisk resonans imaging (MR) har blitt presset av behovet for å spore stamcelle terapeutikk . Et vanlig valg for denne applikasjonen er superparamagnetic jernoksid (SPIO) nanopartikler, noe som forbedrer kontrastene til MR-bilder.

Noen jernoksider har allerede blitt godkjent av FDA. De forskjellige typer partikler er belagt med forskjellige polymerer på utsiden, vanligvis et karbohydrat. MRI-merking kan gjøres ved å feste nanopartikler til stamcelleoverflaten eller forårsake opptak av partikkelen av stamcellen gjennom endocytose eller fagocytose.

Nanopartikler har bidratt til å legge til vår kunnskap om hvordan stamceller vandrer i nervesystemet.

Etikettering ved hjelp av Quantum Dots

Quantum dots (Qdots) er nanokalskrystaller som avgir lys og består av atomer fra gruppe II-VI i periodisk tabell, som ofte inneholder kadmium. De er bedre for å visualisere celler enn visse andre teknikker som fargestoffer, på grunn av deres fotostabilitet og lang levetid. Dette tillater også deres bruk for å studere celledynamikk mens differensiering av stamceller pågår.

Qdots har en kortere track record for bruk med stamceller enn SPIO / MR og har kun blitt brukt in vitro så langt, på grunn av kravet til spesialutstyr for å spore dem i hele dyr.

Nukleotidlevering for genetisk kontroll

Genetiske kontroller, ved bruk av DNA eller siRNA, kommer frem som et nyttig verktøy for kontrollerende cellefunksjoner i stamceller, spesielt for å styre deres differensiering.Nanopartikler kan brukes til å erstatte de tradisjonelt brukte virusvektorer, som for eksempel retrovirus, som har vært involvert i å forårsake komplikasjoner i hele organismer som inducerende mutasjoner som fører til kreft. Nanopartikler gir en billigere, lettere produserbar vektor for transfeksjon av stamceller, med lavere risiko for immunogenicitet, mutagenisitet eller toksisitet.

En populær tilnærming er å bruke kationiske polymerer som interagerer med DNA- og RNA-molekyler. Det er også rom for utvikling av smarte polymerer, med funksjoner som målrettet levering eller planlagt utgivelse . Karbonnanorør med forskjellige funksjonelle grupper har også blitt testet for leveranse av narkotika og nukleinsyre i pattedyrceller, men deres bruk i stamceller har ikke blitt undersøkt i stor grad.

Optimalisering av stamcellemiljøet

Et betydelig studieområde i stamcelleforskning er det ekstracellulære miljøet og hvordan forhold utenfor cellen sender signaler for kontroll av differensiering, migrasjon, vedheft og andre aktiviteter. Den ekstracellulære matriksen (ECM) består av molekyler som utskilles av celler som kollagen, elastin og proteoglykan. Egenskapene til disse utskillelsene og kjemi av miljøet de lager, gir retning for stamcelleaktiviteter.

Nanopartikler har blitt brukt til å konstruere forskjellige mønstrede topografier som etterligner ECM, for å studere effektene på stamceller.

En viktig komplikasjon som oppstod med stamcelleterapier, har vært sviktet av injiserte celler for å engraftere til målvev. Nanoscale stillas forbedre celleoverlevelse ved hjelp av engrafting-prosessen. Nanofibre spunnet fra syntetiske polymerer som poly (melkesyre) (PLA) eller naturlige polymerer av kollagen, silkeprotein eller kitosan, gir kanaler for justering av stamme og stamceller. Det endelige målet er å avgjøre hvilken stillasammensetning som best fremmer passende vedheft og proliferasjon av stamceller og bruk denne teknikken for stamcelletransplantasjoner. Det ser imidlertid ut til at morfologien til celler som vokser på nanofibre, kan avvike fra celler som vokser på andre medier, og få in vivo-studier er rapportert.

Nanotartikkel-toksisitet for stamceller

Som med alle biomedisinske funn, krever bruk av nanopartikler for disse applikasjonene in vivo (i mennesker) godkjenning av FDA. Med oppdagelsen av potensialet for nanopartikler til stamcelleapplikasjoner, har det kommet en økende etterspørsel etter kliniske forsøk for å teste de nye funnene og øke interessen for nanopartikkeltoksisitet.

Toksisiteten av SPIO nanopartikler har blitt studert i stor grad. For det meste har de ikke vist seg giftige, men en studie har antydet en effekt på differensiering av stamceller. Det er imidlertid fortsatt en viss usikkerhet om hvorvidt toksisitet forårsaket av nanopartikler eller transfeksjonsmiddel / forbindelse.

Toksisitetsdata for Qdots er mangelfulle, men hvilke data er det ikke alle enige om.Noen studier rapporterer ikke om bivirkninger på stamcellemorfologi, spredning og differensiering, mens andre rapporterer abnormiteter. Forskjellene i testresultater kan tilskrives de forskjellige sammensetningene av nanopartiklene eller målceller, derfor er det behov for mye mer forskning for å fastslå hva som er trygt og hva som ikke er, og for hvilke typer celler. Det er kjent at oksidert kadmium (Cd2 +) kan være giftig på grunn av dets effekt på cellens mitokondrier. Dette er ytterligere komplisert ved frigjøring av reaktive oksygenarter under Qdot-nedbrytning.

Karbon nanorør ser ut til å være generelt genotoksiske, avhengig av form, størrelse, konsentrasjon og overflatesammensetning, og kan bidra til den generative reaktive oksygenart i celler.

Nanopartikler er lovende verktøy for nye biomedisinske teknikker, på grunn av deres lille størrelse og evne til å trenge inn i celler. Som forskningsmessige fremskritt fortsetter å legge til vår kunnskap om faktorene som styrer stamcellefunksjonene, er det sannsynlig at nye applikasjoner for nanopartikler, i samspill med stamceller, vil bli oppdaget. Selv om bevisene tyder på at noen applikasjoner vil vise seg å være mer nyttige eller sikrere enn andre, er det enormt potensial for bruk av nanopartikler for å forbedre og forbedre stamcelle teknologier.

Kilde:

Ferreira, L. et al. 2008. Nye muligheter: Bruk av nanoteknologi til å manipulere og spore stamceller. Cellstamcelle 3: 136-146. doi: 10. 1016 / j. stilk. 2008. 07. 020.