Наночастицы и применение стволовых клеток

Приложения, сочетающие наночастицы со стволовыми клетками

Нанотехнологии и биомедицинские методы лечения с использованием стволовых клеток (например, терапевтическое клонирование) являются одними из новейших вен биотехнологических исследований. Еще совсем недавно ученые начали искать способы выйти замуж за двоих. С 2003 года в научных журналах накапливаются примеры нанотехнологий и стволовых клеток. Хотя потенциальные приложения для нанотехнологий в исследованиях стволовых клеток бесчисленны, к их использованию можно отнести три основные категории:

• отслеживание или маркировка
• доставка
• леса / платформы

Некоторые наночастицы используются с 1990-х годов для таких приложений, как доставка косметических средств / ухода за кожей, доставка лекарств и маркировка. Эксперименты с различными типами наночастиц, такими как квантовые точки, углеродные нанотрубки и магнитные наночастицы, на соматических клетках или микроорганизмах, послужили фоном, из которого были начаты исследования стволовых клеток. Известно, что первый патент на получение нановолокон был зарегистрирован в 1934 году. Эти волокна в конечном итоге станут основой лесов для культивирования стволовых клеток и трансплантации - более 70 лет спустя.

Визуализация стволовых клеток с использованием частиц МРТ и SPIO

Исследование применения наночастиц для магнитно-резонансной томографии (МРТ) было вызвано необходимостью отслеживать терапию стволовыми клетками , Общим выбором для этого применения являются суперпарамагнитные наночастицы оксида железа (SPIO), которые усиливают контраст МРТ-изображений. Некоторые оксиды железа уже одобрены FDA. Различные типы частиц покрыты различными полимерами снаружи, обычно углеводами. Маркировка MRI может быть выполнена путем прикрепления наночастиц к поверхности стволовых клеток или вызвавших поглощение частицы стволовыми клетками посредством эндоцитоза или фагоцитоза.

Наночастицы помогли добавить к нашим знаниям о том, как стволовые клетки мигрируют в нервной системе.

Маркировка с использованием квантовых точек

Квантовые точки (Qdots) представляют собой наномасштабные кристаллы, которые испускают свет и состоят из атомов из групп II-VI периодической таблицы, часто включающих кадмий. Они лучше

для визуализации клеток , чем некоторые другие методы, такие как красители, из-за их фотостабильности и долговечности. Это также позволяет использовать их для изучения динамики клеток, в то время как происходит дифференциация стволовых клеток. Qdots имеют более короткий послужной список для использования со стволовыми клетками, чем SPIO / MRI, и до сих пор использовались только в пробирке из-за требования к специальному оборудованию для отслеживания их у целых животных.

Доставка нуклеотидов для генетического контроля

Генетический контроль с использованием ДНК или siRNA появляется как полезный инструмент для

контроля клеточных функций в стволовых клетках, особенно для направления их дифференциации.Наночастицы могут использоваться для замены традиционно используемых вирусных векторов, таких как ретровирусы, которые участвуют в возникновении осложнений у всех организмов, таких как индуцирование мутаций, ведущих к раку. Наночастицы предлагают менее дорогой, более легко реализуемый вектор для трансфекции стволовых клеток с меньшим риском иммуногенности, мутагенности или токсичности. Популярным подходом является использование катионных полимеров, которые взаимодействуют с молекулами ДНК и РНК. Существует также место для разработки интеллектуальных полимеров с такими функциями, как

целенаправленная доставка или запланированная версия . Углеродные нанотрубки с различными функциональными группами также были проверены на доставку лекарств и нуклеиновых кислот в клетки млекопитающих, но их использование в стволовых клетках в значительной степени не изучалось. Оптимизация среды стволовых клеток

Значительная область исследования в исследовании стволовых клеток - это вопрос о внеклеточной среде и о том, как условия вне клетки посылают сигналы для контроля дифференциации, миграции, адгезии и других видов деятельности.

внеклеточный матрикс (ECM) состоит из молекул, секретируемых клетками, такими как коллаген, эластин и протеогликан. Свойства этих экскреций и химии окружающей среды, которые они создают, обеспечивают направление деятельности стволовых клеток. Наночастицы использовались для разработки различных узорных топографий, которые имитируют ECM, для изучения их влияния на стволовые клетки.

Важнейшим осложнением, связанным с терапией стволовыми клетками, является неспособность инъецированных клеток трансплантироваться в ткани-мишени. Наномасштабные

леса улучшают выживаемость клеток, помогая приживлению. Nanofibers, вращающиеся из синтетических полимеров, таких как поли (молочная кислота) (PLA) или натуральные полимеры коллагена, белка шелка или хитозана, обеспечивают каналы для выравнивания стволовых клеток и клеток-предшественников. Конечная цель состоит в том, чтобы определить, какой состав каркасов лучше всего способствует правильной адгезии и пролиферации стволовых клеток, и использовать этот метод для трансплантации стволовых клеток. Однако представляется, что морфология клеток, выращенных на нановолокнах, может отличаться от клеток, выращенных на других средах, и было сообщено о нескольких исследованиях in vivo. Токсичность наночастиц для стволовых клеток

Как и во всех биомедицинских открытиях, использование наночастиц для этих приложений

in vivo (у людей) требует одобрения FDA. С открытием потенциала наночастиц для применения в стволовых клетках возникла возрастающая потребность в клинических испытаниях для проверки новых открытий и повышения интереса к токсичности наночастиц. В значительной степени изучена токсичность наночастиц

SPIO . По большей части, они не проявляли токсичность, но одно исследование показало эффект на дифференциацию стволовых клеток. Однако все еще существует некоторая неопределенность в отношении того, была ли токсичность вызвана наночастицами или трансфекционным агентом / соединением. Данные о токсичности для

Qdots недостаточны, но какие данные есть, не все согласны.В некоторых исследованиях не сообщается о неблагоприятном воздействии на морфологию стволовых клеток, пролиферацию и дифференцировку, в то время как другие сообщают об аномалиях. Различия в результатах испытаний могут быть отнесены к различным составам наночастиц или клеток-мишеней, поэтому требуется гораздо больше исследований для определения того, что является безопасным, а что нет, и для каких типов клеток. Известно, что окисленный кадмий (Cd2 +) может быть токсичным из-за его влияния на митохондрии клеток. Это дополнительно осложняется высвобождением активных форм кислорода при деградации Qdot. Углеродные нанотрубки

, как правило, являются генотоксичными, в зависимости от их формы, размера, концентрации и состава поверхности и могут способствовать генерированию активных форм кислорода в клетках. Наночастицы являются перспективными инструментами для новых биомедицинских методов из-за их небольшого размера и способности проникать в клетки. По мере того как научные достижения продолжают дополнять наши знания о факторах, контролирующих функции стволовых клеток, вполне вероятно, что будут открыты новые приложения для наночастиц в сочетании со стволовыми клетками. Хотя данные свидетельствуют о том, что некоторые приложения окажутся более полезными или более безопасными, чем другие, существует огромный потенциал для использования наночастиц для улучшения и совершенствования технологий стволовых клеток.

Источник:

Ferreira L. et al. Новые возможности: использование нанотехнологий для манипулирования и отслеживания стволовых клеток. Cell Stem Cell 3: 136-146. doi: 10. 1016 / j. Шток. 2008. 07. 020.