Nanočástice a aplikace kmenových buněk

Aplikace, které kombinují nanočástice s kmenovými buňkami

Nanotechnologie a biomedicínská léčba pomocí kmenových buněk (např. Terapeutické klonování) patří mezi nejnovější vědy biotechnologického výzkumu. Dokonce nedávno vědci začali hledat způsoby, jak s nimi oženit. Od roku 2003 se ve vědeckých časopisech shromažďují příklady nanotechnologií a kmenových buněk. Zatímco potenciální aplikace nanotechnologie ve výzkumu kmenových buněk jsou nespočetné, pro jejich použití lze přiřadit tři hlavní kategorie:

Sledování nebo označování

• dodávka
• lešení / plošiny

Některé nanočástice se používají od devadesátých let k aplikacím, jako je kosmetika / péče o pleť, dodávky léků a značení. Experimentování s různými typy nanočástic, jako jsou kvantové tečky, uhlíkové nanotrubice a magnetické nanočástice, na somatických buňkách nebo mikroorganismech, poskytlo pozadí, ze kterého byl zahájen výzkum kmenových buněk. Je málo známo, že první patent na přípravu nanovláken byl zaznamenán v roce 1934. Tato vlákna se nakonec stala základem lešení pro kultivaci a transplantaci kmenových buněk - o 70 let později.

[999] Výzkum aplikací nanočástic pro

zobrazování magnetickou rezonancí (MRI)

byl vynucen potřebou sledovat terapeutiku kmenových buněk . Společnou volbou pro tuto aplikaci jsou nanočástice superparamagnetického oxidu železitého (SPIO), které zvyšují kontrast obrazu MRI. Některé oxidy železa již byly schváleny FDA. Různé typy částic jsou na vnější straně potaženy různými polymery, obvykle sacharidy. MRI značení může být provedeno připojením nanočástic k povrchu kmenových buněk nebo vyvoláním absorpce částice kmenovými buňkami prostřednictvím endocytózy nebo fagocytózy.

Nanočástice přispěly k našim znalostem o tom, jak kmenové buňky migrují do nervového systému.

Označování pomocí kvantových bodů

Kvantové tečky (Qdots) jsou krystaly nanočasí, které vyžarují světlo a jsou složeny z atomů ze skupin II-VI periodické tabulky, často obsahující kadmium. Jsou

lepší pro vizualizaci buněk

než některé jiné techniky, jako jsou barviva, kvůli jejich fotostabilitě a dlouhověkosti. To také umožňuje jejich využití pro studium dynamiky buněk, zatímco probíhá diferenciace kmenových buněk. Qdots mají kratší záznamy pro použití s ​​kmenovými buňkami než SPIO / MRI a dosud se používají pouze in vitro, protože vyžadují speciální zařízení, které je mohou sledovat v celých zvířatech. Dodávání nukleotidů pro genetickou kontrolu

Genetické kontroly pomocí DNA nebo siRNA se objevují jako užitečný nástroj pro

řízení buněčných funkcí

v kmenových buňkách, zejména pro řízení jejich diferenciace.Nanočástice mohou být použity k nahrazení tradičně používaných virových vektorů, jako jsou retrovirusy, které se podílejí na komplikacích v celých organismech, jako jsou indukce mutací vedoucích k rakovině. Nanočástice nabízejí levnější a snadněji produkovatelný vektor pro transfekci kmenových buněk s nižším rizikem imunogenicity, mutagenity nebo toxicity. Populární přístup je použití kationtových polymerů, které interagují s molekulami DNA a RNA. K dispozici je také prostor pro vývoj inteligentních polymerů s funkcemi jako cílené doručení

nebo naplánované vydání . Uhlíkové nanotrubice s různými funkčními skupinami byly rovněž testovány na dodávku léků a nukleových kyselin do savčích buněk, ale jejich použití v kmenových buňkách nebylo do značné míry zkoumáno. Optimalizace prostředí v kmenových buňkách Významnou oblastí studia ve výzkumu kmenových buněk je oblast extracelulárního prostředí a podmínky, které mimo buňku vysílají signály pro kontrolu diferenciace, migrace, adheze a dalších aktivit.

Extracelulární matrice (ECM)

se skládá z molekul vylučovaných buňkami, jako je kolagen, elastin a proteoglykan. Vlastnosti těchto exkrecí a chemie životního prostředí, které vytvářejí, poskytují směr činnosti kmenových buněk. Nanočástice byly použity k vývoji různých vzorkovaných topografií, které napodobují ECM, pro studium jejich účinků na kmenové buňky. Velkou komplikací, která se vyskytla při terapii kmenovými buňkami, je selhání vstřikovaných buněk, které se vylučují do cílových tkání. Nanoscale

lešení

zlepšují přežívání buněk tím, že napomáhají procesu vylévání. Nanovlákna ze syntetických polymerů, jako je poly (kyselina mléčná) (PLA) nebo přírodní polymery kolagenu, hedvábného proteinu nebo chitosanu, poskytují kanály pro vyrovnání kmenových a progenitorových buněk. Konečným cílem je zjistit, jaké složení lešení nejlépe podporuje správnou adhezi a proliferaci kmenových buněk a používat tuto techniku ​​pro transplantaci kmenových buněk. Zdá se však, že morfologie buněk pěstovaných na nanovlákenách se může lišit od buněk pěstovaných na jiných médiích a bylo hlášeno několik studií in vivo. Toxicita nanočástic na kmenové buňky Stejně jako u všech biomedicínských objevů vyžaduje použití nanočástic pro tyto aplikace

in vivo

(u lidí) schválení FDA. S objevem potenciálu nanočástic pro aplikace kmenových buněk přichází eskalující poptávka po klinických zkouškách, aby se otestovaly nové objevy a rostoucí zájem o toxicitu nanočástic. Toxicita SPIO nanočástic

byla studována do značné míry. Většina z nich se nezdá toxická, ale jedna studie naznačuje vliv na diferenciaci kmenových buněk. Nicméně stále existuje určitá nejistota ohledně toho, zda byla toxicita způsobena nanočásticemi nebo transfekčním činidlem / sloučeninou. Údaje o toxicitě pro Qdots

jsou vzácné, ale jaké údaje neexistují, ne všechny souhlasí.Některé studie nezaznamenávají žádné nepříznivé účinky na morfologii, proliferaci a diferenciaci kmenových buněk, zatímco jiné hlásí abnormality. Rozdíly v výsledcích testů mohou být přičítány různým složením nanočástic nebo cílových buněk, proto je zapotřebí mnohem více výzkumu, aby bylo možné zjistit, co je bezpečné a co není a pro jaké typy buněk. Je známo, že oxidovaný kadmium (Cd2 +) může být toxický kvůli jeho vlivu na mitochondrie buněk. To je dále komplikováno uvolňováním reaktivních druhů kyslíku během degradace Qdot. Uhlíkové nanotrubice se zdají být obecně genotoxické, v závislosti na jejich tvaru, velikosti, koncentraci a složení povrchu a mohou přispět k tvorbě reaktivních druhů kyslíku v buňkách.

Nanočástice jsou slibné nástroje pro nové biomedicínské techniky kvůli jejich malé velikosti a schopnosti pronikat do buněk. Vzhledem k tomu, že pokroky v oblasti výzkumu nadále doplňují naše znalosti o faktorech, které kontrolují funkce kmenových buněk, je pravděpodobné, že budou objeveny nové aplikace nanočástic v kombinaci s kmenovými buňkami. Zatímco důkazy naznačují, že některé aplikace se ukáží jako užitečnější nebo bezpečnější než jiné, existuje obrovský potenciál pro použití nanočástic ke zlepšení a zlepšení technologií kmenových buněk. Zdroj:

Ferreira, L. a kol. Nové možnosti: využití nanotechnologií k manipulaci a sledování kmenových buněk. Cell Stem Cell 3: 136-146. dva: 10. 1016 / j. zastavit. 2008. 07. 020.