Nanopartiklar och stamcellsapplikationer

Applikationer som kombinerar nanopartiklar med stamceller

Nanoteknik och biomedicinska behandlingar med stamceller (som terapeutisk kloning) är bland de nyaste åren inom bioteknikforskning. Ännu nyligen har forskare börjat hitta sätt att gifta sig med de två. Sedan 2003 har exempel på nanoteknik och stamceller ihop samlat i vetenskapliga tidskrifter. Medan de potentiella tillämpningarna för nanoteknik i stamcellsforskning är otaliga kan tre huvudkategorier tilldelas deras användning:

- 9 ->

• spårning eller märkning
• leverans
• byggnadsställningar / plattformar

Vissa nanopartiklar har använts sedan 1990-talet, för applikationer som kosmetisk / hudvård, läkemedelsleverans och märkning. Experimentering med olika typer av nanopartiklar, såsom kvantpunktar, kolnanorör och magnetiska nanopartiklar, på somatiska celler eller mikroorganismer, har gett bakgrunden från vilken stamcellsforskning har lanserats. Det är ett lite känt faktum att det första patentet för beredning av nanofibrer registrerades 1934. Dessa fibrer skulle så småningom bli grunden för byggnadsställningar för stamcellsodling och transplantation - över 70 år senare.

Visualisering av stamceller Användning av MR- och SPIO-partiklar

Forskning om tillämpningar av nanopartiklar för magnetisk resonansavbildning (MR) har drivits av behovet av att spåra stamcellerapeutika . Ett vanligt val för denna applikation är superparamagnetiska järnoxid (SPIO) nanopartiklar, vilket förbättrar kontrast av MR-bilder.

Några järnoxider har redan godkänts av FDA. De olika typerna av partiklar är belagda med olika polymerer på utsidan, vanligtvis en kolhydrat. MRI-märkning kan utföras genom att fästa nanopartiklarna på stamcellens yta eller orsaka upptag av partikeln genom stamcellen genom endocytos eller fagocytos.

Nanopartiklar har hjälpt till att öka vår kunskap om hur stamceller migrerar i nervsystemet.

Märkning med Quantum Dots

Quantum Dots (Qdots) är nanoskala kristaller som avger ljus och består av atomer från grupp II-VI i det periodiska bordet, som ofta innehåller kadmium. De är bättre för att visualisera celler än vissa andra tekniker som färgämnen, på grund av deras fotostabilitet och livslängd. Detta möjliggör också deras användning för att studera celldynamik medan differentiering av stamceller pågår.

Qdots har en kortare rekord för användning med stamceller än SPIO / MRI och har hittills endast använts in vitro, på grund av kravet på särskild utrustning för att spåra dem i hela djur.

Nukleotidleverans för genetisk kontroll

Genetiska kontroller, som använder DNA eller siRNA, framträder som ett användbart verktyg för kontrollerande cellfunktioner i stamceller, särskilt för att styra deras differentiering.Nanopartiklar kan användas för att ersätta de traditionellt använda virusvektorerna, såsom retrovirus, som har blivit involverade i att orsaka komplikationer i hela organismer såsom inducerande mutationer som leder till cancer. Nanopartiklar erbjuder en billigare, lättare producerbar vektor för transfektion av stamceller, med lägre risk för immunogenicitet, mutagenicitet eller toxicitet.

Ett populärt tillvägagångssätt är att använda katjoniska polymerer som interagerar med DNA- och RNA-molekyler. Det finns också utrymme för utveckling av smarta polymerer, med funktioner som riktad leverans eller planerad frisättning . Kolnanorör med olika funktionella grupper har också testats för leverans av läkemedel och nukleinsyra i däggdjursceller, men deras användning i stamceller har inte undersökts i stor utsträckning.

Optimering av stamcellsmiljön

Ett betydande undersökningsområde inom stamcellsforskning är den extracellulära miljön och hur förhållanden utanför cellen skickar signaler för kontroll av differentiering, migration, vidhäftning och andra aktiviteter. Den extracellulära matrisen (ECM) består av molekyler utsöndrade av celler såsom kollagen, elastin och proteoglykan. Egenskaperna hos dessa utsöndringar och kemi för den miljö de skapar ger vägledning för stamcellsaktiviteter.

Nanopartiklar har använts för att konstruera olika mönstrade topografier som efterliknar ECM, för att studera deras effekter på stamceller.

En stor komplikation som uppstått med stamcellerterapi har varit misslyckandet av injicerade celler för att engagera sig till målvävnader. Nanoscale byggnadsställningar förbättra cellöverlevnad genom att stödja engraftingprocessen. Nanofibrer som spunnits från syntetiska polymerer, såsom poly (mjölksyra) (PLA) eller naturliga polymerer av kollagen, silkeprotein eller kitosan, tillhandahåller kanaler för inriktning av stam- och stamceller. Det ultimata målet är att bestämma vilken ställningskomposition som bäst främjar lämplig vidhäftning och proliferation av stamcellerna och använd denna teknik för stamcellstransplantationer. Det verkar emellertid att morfologin hos celler som odlas på nanofibrer kan skilja sig från celler som odlas på andra medier, och få in vivo-studier har rapporterats.

Nanotartikeltoxicitet mot stamceller

Som med alla biomedicinska upptäckter kräver användning av nanopartiklar för dessa applikationer in vivo (hos människor) godkännande av FDA. Med upptäckten av nanopartiklarnas potential för stamcellsapplikationer har det kommit en ökande efterfrågan på kliniska prövningar för att testa de nya upptäckterna och öka intresset för toxicitet hos nanopartiklar.

Toxiciteten hos SPIO nanopartiklar har studerats i stor utsträckning. För det mesta har de inte verkade giftiga, men en studie har föreslagit en effekt på differentiering av stamceller. Det finns emellertid fortfarande viss osäkerhet om huruvida toxiciteten orsakades av nanopartiklarna eller transfektionsmedlet / föreningen.

Toxicitetsdata för Qdots är knapp, men vilka data finns inte alla överens.Vissa studier rapporterar inga negativa effekter på stamcellsmorfologi, proliferation och differentiering, medan andra rapporterar abnormiteter. Skillnaderna i testresultat kan hänföras till de olika kompositionerna hos nanopartiklarna eller målcellerna, därför behövs mycket mer forskning för att fastställa vad som är säkert och vad som inte är och för vilka typer av celler. Det som är känt är att oxiderat kadmium (Cd2 +) kan vara giftigt på grund av dess effekt på cellens mitokondrier. Detta kompliceras ytterligare genom frisättningen av reaktiva syrearter under Qdot-nedbrytning.

Karbonnanorör verkar vara generellt genotoxiska, beroende på deras form, storlek, koncentration och ytkomposition och kan bidra till den generativa reaktiva syrearten i celler.

Nanopartiklar är lovande verktyg för nya biomedicinska tekniker, på grund av sin lilla storlek och förmåga att tränga igenom celler. Eftersom forskningsframsteg fortsätter att lägga till vår kunskap om de faktorer som styr stamcellsfunktionerna är det troligt att nya applikationer för nanopartiklar, i samverkan med stamceller, kommer att upptäckas. Medan bevisen tyder på att vissa applikationer kommer att visa sig vara mer användbara eller säkrare än andra, finns det enorm potential att använda nanopartiklar för att förbättra och förbättra stamcellsteknologin.

Källa:

Ferreira, L. et al. 2008. Nya möjligheter: Användningen av nanoteknik för att manipulera och spåra stamceller. Cellstamcell 3: 136-146. doi: 10. 1016 / j. stam. 2008. 07. 020.