Nanopartikler og stamcelleapplikationer

Applikationer, der kombinerer nanopartikler med stamceller

Nanoteknologi og biomedicinske behandlinger ved hjælp af stamceller (såsom terapeutisk kloning) er blandt de nyeste årer inden for bioteknologisk forskning. Endnu for nylig er forskere begyndt at finde måder at gifte sig med de to. Siden omkring 2003 har eksempler på kombineret nanoteknologi og stamceller samlet sig i videnskabelige tidsskrifter. Mens de potentielle anvendelser til nanoteknologi i stamcelleforskning er utallige, kan der tildeles tre hovedkategorier til deres brug:

- 9 ->

• sporing eller mærkning
• levering
• stilladser / platforme

Visse nanopartikler har været i brug siden 1990'erne til applikationer som kosmetisk / hudpleje levering, lægemiddellevering og mærkning. Eksperimentering med forskellige typer nanopartikler, såsom kvantepunkter, carbon nanorør og magnetiske nanopartikler, på somatiske celler eller mikroorganismer har givet baggrunden for, at stamcelleforskning er blevet lanceret. Det er lidt kendt, at det første patent til fremstilling af nanofibre blev registreret i 1934. Disse fibre ville i sidste ende blive grundlaget for stilladser til stamcellekultur og transplantation - over 70 år senere.

Visualisering af stamceller ved anvendelse af MR- og SPIO-partikler

Forskning om anvendelse af nanopartikler til magnetisk resonansbilleddannelse (MR) er blevet skubbet af behovet for at spore stamcelle terapeutika . Et almindeligt valg til denne applikation er superparamagnetisk jernoxid (SPIO) nanopartikler, som forbedrer kontrast af MR-billeder.

Nogle jernoxider er allerede godkendt af FDA. De forskellige typer partikler er belagt med forskellige polymerer på ydersiden, som regel et kulhydrat. MRI-mærkning kan gøres ved at vedhæfte nanopartiklerne til stamcelleoverfladen eller forårsage optagelse af partiklen af ​​stamcellen gennem endocytose eller fagocytose.

Nanopartikler har bidraget til at tilføre vores viden om, hvordan stamceller migrerer i nervesystemet.

Mærkning ved hjælp af Quantum Dots

Quantum dots (Qdots) er nanokalskrystaller, der udsender lys og består af atomer fra gruppe II-VI i det periodiske bord, der ofte indeholder cadmium. De er bedre til at visualisere celler end visse andre teknikker som farvestoffer, på grund af deres fotostabilitet og lang levetid. Dette tillader også deres anvendelse til at studere celledynamik, mens differentiering af stamceller pågår.

Qdots har en kortere track record til brug med stamceller end SPIO / MRI og har kun været anvendt in vitro hidtil på grund af kravet om specielt udstyr til at spore dem i hele dyr.

Nukleotidlevering til genetisk kontrol

Genetiske kontroller, der anvender DNA eller siRNA, fremkommer som et nyttigt redskab til styrende cellefunktioner i stamceller, især til styring af deres differentiering.Nanopartikler kan bruges til at erstatte de traditionelt anvendte virale vektorer, såsom retrovirus, som har været impliceret i at forårsage komplikationer i hele organismer som inducerende mutationer, der fører til kræft. Nanopartikler giver en billigere, lettere producerbar vektor til transfektion af stamceller, med en lavere risiko for immunogenicitet, mutagenicitet eller toksicitet.

En populær tilgang er at anvende kationiske polymerer, der interagerer med DNA- og RNA-molekyler. Der er også plads til udvikling af intelligente polymerer med funktioner som målrettet levering eller planlagt frigivelse . Carbon nanorør med forskellige funktionelle grupper er også blevet testet for lægemiddel- og nukleinsyreafgivelse i pattedyrsceller, men deres anvendelse i stamceller er ikke blevet undersøgt i stor udstrækning.

Optimering af stamcellemiljøet

Et væsentligt studieområde inden for stamcelleforskning er det ekstracellulære miljø og hvordan forhold uden for cellen sender signaler til styring af differentiering, migration, vedhæftning og andre aktiviteter. Den ekstracellulære matrix (ECM) består af molekyler udskilt af celler som kollagen, elastin og proteoglycan. Egenskaberne af disse udskillelser og kemi af det miljø, de skaber, giver retning for stamcelleaktiviteter.

Nanopartikler har været brugt til at konstruere forskellige mønstrede topografier, der efterligner ECM, for at studere deres virkninger på stamceller.

En alvorlig komplikation, der er stødt på med stamcelleterapier, har været svigtet af injicerede celler til engrafting til målvæv. Nanoscale stilladser forbedrer celleoverlevelse ved hjælp af engraftingprocessen. Nanofibre spundet af syntetiske polymerer, såsom poly (mælkesyre) (PLA) eller naturlige polymerer af collagen, silkeprotein eller chitosan, tilvejebringer kanaler til justering af stamme og stamceller. Det endelige mål er at bestemme, hvilken stilladsammensætning bedst fremmer passende vedhæftning og proliferation af stamcellerne og anvende denne teknik til stamcelletransplantationer. Det fremgår imidlertid, at morfologien af ​​celler dyrket på nanofibre kan afvige fra celler dyrket på andre medier, og få in vivo undersøgelser er blevet rapporteret.

Nanotartikeltoksicitet over for stamceller

Som med alle biomedicinske opdagelser kræver brug af nanopartikler til disse applikationer in vivo (hos mennesker) godkendelse af FDA. Med opdagelsen af ​​nanopartiklernes potentiale til stamcelleanvendelser er der kommet en stigende efterspørgsel efter kliniske forsøg for at teste de nye opdagelser og øge interessen for nanopartikeltoksicitet.

Toksiciteten af ​​ SPIO nanopartikler er blevet undersøgt i stor udstrækning. For det meste har de ikke vist sig toksiske, men en undersøgelse har antydet en effekt på differentiering af stamceller. Der er dog stadig en vis usikkerhed om, hvorvidt toksicitet forårsages af nanopartiklerne eller transfektionsmidlet / forbindelsen.

Toksicitetsdata for Qdots er knappe, men hvilke data er der ikke alle enige om.Nogle undersøgelser rapporterer ikke om bivirkninger på stamcellemorfologi, proliferation og differentiering, mens andre rapporterer abnormiteter. Forskellene i testresultater kan tilskrives de forskellige sammensætninger af nanopartiklerne eller målcellerne, derfor kræves der meget mere forskning for at fastslå, hvad der er sikkert og hvad der ikke er, og for hvilke typer celler. Det er kendt, at oxideret cadmium (Cd2 +) kan være giftigt på grund af dets virkning på cellerne mitokondrier. Dette kompliceres yderligere ved frigivelsen af ​​reaktive oxygenarter under Qdot-nedbrydning.

Carbon nanorør synes at være generelt genotoksiske, afhængigt af deres form, størrelse, koncentration og overfladesammensætning og kan bidrage til de generative reaktive oxygenarter i celler.

Nanopartikler er lovende værktøjer til nye biomedicinske teknikker på grund af deres lille størrelse og evne til at trænge ind i celler. Da forskningsfremskridt fortsat bidrager til vores viden om de faktorer, der styrer stamcellefunktioner, er det sandsynligt, at nye applikationer for nanopartikler i samspil med stamceller vil blive opdaget. Selv om beviser tyder på, at nogle applikationer vil vise sig at være mere nyttige eller sikrere end andre, er der enormt potentiale for at bruge nanopartikler til at forbedre og forbedre stamcelleteknologi.

Kilde:

Ferreira, L. et al. 2008. Nye muligheder: Anvendelsen af ​​nanoteknologier til at manipulere og spore stamceller. Cellestamcelle 3: 136-146. doi: 10. 1016 / j. stilk. 2008. 07. 020.