- volgen of labelen
- levering
- scaffold / platforms
Bepaalde nanodeeltjes zijn al sinds de jaren 90 in gebruik, voor toepassingen zoals cosmetica / huidverzorging, medicijnafgifte en etikettering. Experimenteren met verschillende soorten nanodeeltjes zoals quantum dots, koolstofnanobuisjes en magnetische nanodeeltjes, op somatische cellen of micro-organismen, heeft de achtergrond opgeleverd van waaruit stamcelonderzoek is gestart. Het is een weinig bekend feit dat het eerste patent voor de bereiding van nanovezels werd vastgelegd in 1934. Deze vezels zouden uiteindelijk de basis worden voor scaffolds voor stamcelcultuur en -transplantatie - meer dan 70 jaar later.
Visualiseren van stamcellen met behulp van MRI en SPIO deeltjes
Onderzoek naar de toepassingen van nanodeeltjes voor magnetische resonantie beeldvorming (MRI) werd gestimuleerd door de noodzaak om stamceltherapeutica bij te houden. Een algemene keuze voor deze toepassing zijn superparamagnetische ijzeroxide (SPIO) nanodeeltjes, die het contrast van MRI-afbeeldingen verbeteren.
Sommige ijzeroxiden zijn al goedgekeurd door de FDA. De verschillende soorten deeltjes zijn aan de buitenkant bedekt met verschillende polymeren, meestal een koolhydraat. MRI-labeling kan worden gedaan door de nanodeeltjes aan het stamceloppervlak te bevestigen of door de stamcel de opname van het deeltje door endocytose of fagocytose te veroorzaken.
Nanodeeltjes hebben bijgedragen aan onze kennis van hoe stamcellen migreren in het zenuwstelsel.
Labeling met behulp van Quantum Dots
Quantum dots (Qdots) zijn kristallen op nano-schaal die licht uitzenden en bestaan uit atomen uit de groepen II-VI van het periodiek systeem, vaak met cadmium. Ze zijn beter voor het visualiseren van cellen dan bepaalde andere technieken zoals kleurstoffen, vanwege hun fotostabiliteit en levensduur. Dit maakt ook hun gebruik voor het bestuderen van cellulaire dynamica mogelijk terwijl differentiatie van stamcellen aan de gang is.
Qdots hebben een kortere staat van dienst voor gebruik met stamcellen dan SPIO / MRI en zijn tot nu toe alleen in vitro gebruikt, vanwege de vereiste speciale apparatuur om ze bij hele dieren te volgen.
Nucleotide levering voor genetische controle
Genetische controles, met behulp van DNA of siRNA , komen naar voren als een nuttig hulpmiddel voor het reguleren van cellulaire functies in stamcellen, in het bijzonder voor het richten van hun differentiatie. Nanodeeltjes kunnen worden gebruikt ter vervanging van de traditioneel gebruikte virale vectoren, zoals retrovirussen, die zijn betrokken bij het veroorzaken van complicaties in hele organismen, zoals het induceren van mutaties die leiden tot kanker. Nanodeeltjes bieden een minder dure, gemakkelijker produceerbare vector voor transfectie van stamcellen, met een lager risico op immunogeniciteit, mutageniteit of toxiciteit.
Een populaire benadering is om kationische polymeren te gebruiken die interageren met DNA- en RNA-moleculen. Er is ook ruimte voor de ontwikkeling van slimme polymeren , met functies zoals gerichte levering of geplande release . Koolstofnanobuisjes met verschillende functionele groepen zijn ook getest op afgifte van geneesmiddelen en nucleïnezuren in zoogdiercellen, maar hun gebruik in stamcellen is niet in grote mate onderzocht.
Optimalisatie van de stamcelomgeving
Een belangrijk gebied van onderzoek in stamcelonderzoek is dat van de extracellulaire omgeving en hoe condities buiten de cel signalen verzenden voor de controle van differentiatie, migratie, adhesie en andere activiteiten. De extracellulaire matrix (ECM) bestaat uit moleculen afgescheiden door cellen zoals collageen, elastine en proteoglycan. De eigenschappen van deze uitscheidingen en chemie van de omgeving die ze creëren, geven richting aan stamcelactiviteiten.
Nanodeeltjes zijn gebruikt voor het engineeren van topografieën met verschillende patronen die de ECM nabootsen, voor het bestuderen van hun effecten op stamcellen.
Een belangrijke complicatie die werd ondervonden met stamceltherapieën was het falen van geïnjecteerde cellen om zich in doelwitweefsels te inten. Nanoschaalsteigers verbeteren de overleving van de cel door het inbinden te ondersteunen. Nanovezels gesponnen uit synthetische polymeren zoals poly (melkzuur) (PLA), of natuurlijke polymeren van collageen, zijdeproteïne of chitosan, verschaffen kanalen voor het uitlijnen van stam- en progenitorcellen. Het uiteindelijke doel is om te bepalen welke scaffold samenstelling het beste de juiste adhesie en proliferatie van de stamcellen bevordert en deze techniek gebruikt voor stamceltransplantaties. Het lijkt er echter op dat de morfologie van op nanovezels gekweekte cellen kan verschillen van cellen die op andere media zijn gekweekt en er zijn maar weinig in vivo onderzoeken gerapporteerd.
Nanodeeltje Toxiciteit voor stamcellen
Zoals met alle biomedische ontdekkingen, vereist het gebruik van nanodeeltjes voor deze toepassingen in vivo (bij mensen) de goedkeuring van de FDA. Met de ontdekking van het potentieel van nanodeeltjes voor stamceltoepassingen, is er een toenemende vraag naar klinische proeven om de nieuwe ontdekkingen en toenemende belangstelling voor nanodeeltjes toxiciteit te testen.
De toxiciteit van SPIO-nanodeeltjes is in grote mate bestudeerd. Voor het grootste deel zijn ze niet toxisch gebleken, maar een studie suggereert een effect op de differentiatie van stamcellen. Er is echter nog steeds enige onzekerheid over de vraag of toxiciteit werd veroorzaakt door de nanodeeltjes of het transfectiemiddel / -verbinding.
Toxiciteitsgegevens voor Qdots zijn schaars, maar welke gegevens zijn er niet allemaal mee eens. Sommige studies rapporteren geen nadelige effecten op stamcelmorfologie, proliferatie en differentiatie, terwijl anderen afwijkingen rapporteren. De verschillen in testresultaten kunnen worden toegeschreven aan de verschillende samenstellingen van de nanodeeltjes of doelcellen. Daarom is er veel meer onderzoek nodig om vast te stellen wat veilig is en wat niet, en voor welke soorten cellen. Wat bekend is, is dat geoxideerd cadmium (Cd2 +) toxisch kan zijn vanwege het effect op de mitochondria van cellen. Dit wordt verder gecompliceerd door de afgifte van reactieve zuurstofspecies tijdens Qdot-degradatie.
Koolstofnanobuizen blijken over het algemeen genotoxisch te zijn, afhankelijk van hun vorm, grootte, concentratie en oppervlaktesamenstelling en kunnen bijdragen aan de generatieve reactieve zuurstofspecies in cellen.
Nanodeeltjes zijn veelbelovende hulpmiddelen voor nieuwe biomedische technieken, vanwege hun kleine omvang en het vermogen om cellen te penetreren. Omdat de vooruitgang van het onderzoek onze kennis van de factoren die de stamcelfuncties controleren blijft vergroten, is het waarschijnlijk dat nieuwe toepassingen voor nanodeeltjes, in samenwerking met stamcellen, ontdekt zullen worden. Hoewel er aanwijzingen zijn dat sommige toepassingen nuttiger of veiliger blijken te zijn dan andere, is er een enorm potentieel voor het gebruik van nanodeeltjes om stamceltechnologieën te verbeteren en te verbeteren.
> Bron:
> Ferreira, L. et al. 2008. Nieuwe kansen: het gebruik van nanotechnologieën voor het manipuleren en volgen van stamcellen. Cell Stem Cell 3: 136-146. doi: 10.1016 / j.stem.2008.07.020.