Εφαρμογές νανοσωματιδίων και βλαστοκυττάρων

Η νανοτεχνολογία και οι βιοϊατρικές θεραπείες που χρησιμοποιούν βλαστικά κύτταρα (όπως η θεραπευτική κλωνοποίηση) είναι από τις νεότερες φλέβες της βιοτεχνολογικής έρευνας. Ακόμα πιο πρόσφατα, οι επιστήμονες έχουν αρχίσει να βρίσκουν τρόπους να παντρευτούν τους δύο. Από το 2003, τα παραδείγματα της νανοτεχνολογίας και των βλαστοκυττάρων σε συνδυασμό συσσωρεύονται σε επιστημονικά περιοδικά. Ενώ οι πιθανές εφαρμογές για τη νανοτεχνολογία στην έρευνα για τα βλαστοκύτταρα είναι αμέτρητες, μπορούν να αποδοθούν στη χρήση τους τρεις κύριες κατηγορίες:

• παρακολούθηση ή επισήμανση
• διανομή
• ικριώματα / πλατφόρμες

Ορισμένα νανοσωματίδια έχουν χρησιμοποιηθεί από τη δεκαετία του '90, για εφαρμογές όπως η φροντίδα καλλυντικών / φροντίδας δέρματος, η παράδοση φαρμάκων και η επισήμανση. Ο πειραματισμός με διαφορετικούς τύπους νανοσωματιδίων, όπως κβαντικές κουκίδες, νανοσωλήνες άνθρακα και μαγνητικά νανοσωματίδια, σε σωματικά κύτταρα ή μικροοργανισμούς, παρείχε το υπόβαθρο από το οποίο ξεκίνησε η έρευνα για τα βλαστοκύτταρα. Είναι ελάχιστα γνωστό το γεγονός ότι το πρώτο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για την παρασκευή νανο-ινών καταγράφηκε το 1934. Αυτές οι ίνες θα γίνουν τελικά οι βάσεις των ικριωμάτων για την καλλιέργεια βλαστικών κυττάρων και τη μεταμόσχευση - πάνω από 70 χρόνια αργότερα.

Οπτικοποίηση των βλαστοκυττάρων χρησιμοποιώντας σωματίδια MRI και SPIO

Έρευνα για τις εφαρμογές νανοσωματιδίων για απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI) έχει ωθηθεί από την ανάγκη παρακολούθησης της θεραπείας των βλαστοκυττάρων. Μια κοινή επιλογή για αυτήν την εφαρμογή είναι τα νανοσωματίδια υπερπαραμαγνητικού οξειδίου του σιδήρου (SPIO), τα οποία ενισχύουν την αντίθεση των εικόνων MRI. Ορισμένα οξείδια σιδήρου έχουν ήδη εγκριθεί από το FDA. Οι διαφορετικοί τύποι σωματιδίων επικαλύπτονται με διαφορετικά πολυμερή στο εξωτερικό, συνήθως ένας υδατάνθρακας. Η σήμανση με μαγνητική τομογραφία μπορεί να γίνει με την προσάρτηση των νανοσωματιδίων στην επιφάνεια των βλαστικών κυττάρων ή με την πρόσληψη του σωματιδίου από το βλαστικό κύτταρο μέσω ενδοκυττάρωσης ή φαγοκυττάρωσης.

Τα νανοσωματίδια βοήθησαν να προσθέσουμε στις γνώσεις μας πώς μεταναστεύουν τα βλαστοκύτταρα στο νευρικό σύστημα.

Επισήμανση χρησιμοποιώντας κβαντικές τελείες

Οι κβαντικές κουκίδες (Qdots) είναι κρύσταλλοι νανοκλίμακας που εκπέμπουν φως και αποτελούνται από άτομα από ομάδες II-VI του περιοδικού πίνακα, που συχνά ενσωματώνουν κάδμιο. Αυτοί είναι καλύτερη για την απεικόνιση των κυττάρων από ορισμένες άλλες τεχνικές όπως βαφές, λόγω της φωτοσταθερότητάς τους και της μακροζωίας τους. Αυτό επιτρέπει επίσης τη χρήση τους για τη μελέτη της κυτταρικής δυναμικής ενώ η διαφοροποίηση των βλαστικών κυττάρων βρίσκεται σε εξέλιξη.

Τα Qdots έχουν μικρότερο ιστορικό για χρήση με βλαστοκύτταρα από το SPIO / MRI και έχουν χρησιμοποιηθεί μόνο in vitro μέχρι στιγμής, λόγω της απαίτησης ειδικού εξοπλισμού για την παρακολούθηση τους σε ολόκληρα ζώα.

Παράδοση νουκλεοτιδίων για γενετικό έλεγχο

Οι γενετικοί έλεγχοι, χρησιμοποιώντας DNA ή siRNA, αναδύονται ως χρήσιμο εργαλείοελέγχοντας κυτταρικές λειτουργίες σε βλαστοκύτταρα, ιδιαίτερα για την κατεύθυνση της διαφοροποίησης τους. Τα νανοσωματίδια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αντικαταστήσουν τους παραδοσιακά χρησιμοποιούμενους ιικούς φορείς, όπως οι ρετροϊοί, οι οποίοι έχουν εμπλακεί στην πρόκληση επιπλοκών σε ολόκληρους οργανισμούς, όπως στην πρόκληση μεταλλάξεων που οδηγούν σε καρκίνο. Τα νανοσωματίδια προσφέρουν έναν λιγότερο δαπανηρό, ευκολότερα παραγόμενο φορέα για τη διαμόλυνση των βλαστικών κυττάρων, με χαμηλότερο κίνδυνο ανοσογονικότητας, μεταλλαξιογένεσης ή τοξικότητας.

Μια δημοφιλής προσέγγιση είναι να χρησιμοποιηθούν κατιονικά πολυμερή που αλληλεπιδρούν με μόρια ϋΝΑ και RNA. Υπάρχει επίσης χώρος για την ανάπτυξη έξυπνων πολυμερών, με χαρακτηριστικά όπως στοχοθετημένη παράδοση ή προγραμματισμένη απελευθέρωση . Οι νανοσωλήνες άνθρακα με διαφορετικές λειτουργικές ομάδες έχουν επίσης δοκιμαστεί για χορήγηση φαρμάκων και νουκλεϊνικών οξέων σε κύτταρα θηλαστικών, αλλά η χρήση τους σε βλαστοκύτταρα δεν έχει διερευνηθεί σε μεγάλο βαθμό.

Βελτιστοποίηση του περιβάλλοντος βλαστικών κυττάρων

Ένας σημαντικός τομέας μελέτης στην έρευνα των βλαστικών κυττάρων είναι αυτός του εξωκυτταρικού περιβάλλοντος και πώς οι συνθήκες εκτός του κυττάρου στέλνουν σήματα για τον έλεγχο της διαφοροποίησης, της μετανάστευσης, της προσκόλλησης και άλλων δραστηριοτήτων. οεξωκυτταρική μήτρα (ECM), αποτελείται από μόρια που εκκρίνονται από κύτταρα όπως κολλαγόνο, ελαστίνη και πρωτεογλυκάνη. Οι ιδιότητες αυτών των αποβολών και η χημεία του περιβάλλοντος που δημιουργούν, παρέχουν κατεύθυνση για τις δραστηριότητες των βλαστικών κυττάρων. Τα νανοσωματίδια έχουν χρησιμοποιηθεί για να σχεδιάσουν διαφορετικές τοπογραφίες που μιμούνται την ECM, για να μελετήσουν τις επιδράσεις τους στα βλαστοκύτταρα.

Μία σημαντική επιπλοκή που αντιμετωπίστηκαν με τις θεραπείες βλαστοκυττάρων ήταν η αποτυχία των εγχυμένων κυττάρων να μεταμοσχεύσουν τους ιστούς-στόχους. Νανοκλίμακα σκαλωσιές βελτιώνοντας την επιβίωση των κυπάρων βοηθώντας τη διαδικασία της μεταμόσχευσης. Οι νάνοδες spun από συνθετικά πολυμερή όπως πολυ (γαλακτικό οξύ) (PLA) ή φυσικά πολυμερή κολλαγόνου, πρωτεΐνης μετάξι ή χιτοζάνη, παρέχουν κανάλια για την ευθυγράμμιση των στελεχών και των προγονικών κυττάρων. Ο απώτερος στόχος είναι να προσδιοριστεί ποια σύνθεση σκαλωσιάς προωθεί καλύτερα την κατάλληλη προσκόλληση και πολλαπλασιασμό των βλαστοκυττάρων και χρησιμοποιεί αυτή την τεχνική για μεταμοσχεύσεις βλαστικών κυττάρων.

Ωστόσο, φαίνεται ότι η μορφολογία των κυττάρων που αναπτύσσονται στις νανοΐνες μπορεί να διαφέρει από τα κύτταρα που αναπτύσσονται σε άλλα μέσα και έχουν αναφερθεί λίγες in vivo μελέτες.

Νανοσωματιδιακή τοξικότητα στα βλαστοκύτταρα

Όπως με όλες τις βιοϊατρικές ανακαλύψεις, η χρήση νανοσωματιδίων για αυτές τις εφαρμογές in νίνο (στους ανθρώπους) απαιτεί την έγκριση του FDA. Με την ανακάλυψη των δυνατοτήτων των νανοσωματιδίων για εφαρμογές βλαστικών κυττάρων, έχει προκύψει κλιμάκωση της ζήτησης κλινικών δοκιμών για τη δοκιμή των νέων ανακαλύψεων και του αυξανόμενου ενδιαφέροντος για τη τοξικότητα των νανοσωματιδίων.

Η τοξικότητα τουSPIO νανοσωματίδια έχει μελετηθεί σε μεγάλο βαθμό.Ως επί το πλείστον, δεν έχουν εμφανιστεί τοξικά, αλλά μία μελέτη έχει προτείνει μια επίδραση στη διαφοροποίηση των βλαστικών κυττάρων. Ωστόσο, εξακολουθεί να υπάρχει κάποια αβεβαιότητα ως προς το αν η τοξικότητα προκαλείται από τα νανοσωματίδια ή από τον παράγοντα / ένωση μορφομετατροπής.

Στοιχεία τοξικότητας γιαQdots είναι σπάνια, αλλά ποια δεδομένα υπάρχουν δεν συμφωνούν όλοι. Μερικές μελέτες δεν αναφέρουν αρνητικές επιδράσεις στη μορφολογία, τον πολλαπλασιασμό και τη διαφοροποίηση των βλαστικών κυττάρων, ενώ άλλες αναφέρουν ανωμαλίες. Οι διαφορές στα αποτελέσματα των δοκιμών θα μπορούσαν να αποδοθούν στις διαφορετικές συνθέσεις των νανοσωματιδίων ή των κυττάρων στόχων, επομένως απαιτούνται πολύ περισσότερες έρευνες για να διαπιστωθεί τι είναι ασφαλές και τι δεν είναι και για ποιους τύπους κυττάρων. Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι το οξειδωμένο κάδμιο (Cd2 +) μπορεί να είναι τοξικό λόγω της επίδρασής του στα μιτοχόνδρια των κυττάρων.

Αυτό περιπλέκεται περαιτέρω από την απελευθέρωση αντιδραστικών ειδών οξυγόνου κατά την αποικοδόμηση Qdot.

Νανοσωλήνες άνθρακα φαίνεται να είναι γενικώς γενοτοξικό, ανάλογα με το σχήμα, το μέγεθος, τη συγκέντρωση και την σύνθεση της επιφάνειας και μπορεί να συμβάλλει στη δημιουργία αντιδραστικών ειδών οξυγόνου στα κύτταρα.

Τα νανοσωματίδια είναι ελπιδοφόρα εργαλεία για νέες βιοϊατρικές τεχνικές, λόγω του μικρού τους μεγέθους και της ικανότητάς τους να διεισδύουν στα κύτταρα. Καθώς οι ερευνητικές εξελίξεις συνεχίζουν να προσθέτουν στη γνώση μας τους παράγοντες που ελέγχουν τις λειτουργίες των βλαστικών κυττάρων, είναι πιθανό να ανακαλυφθούν νέες εφαρμογές για νανοσωματίδια σε συνεννόηση με βλαστοκύτταρα. Ενώ τα στοιχεία δείχνουν ότι ορισμένες εφαρμογές θα αποδειχθούν χρήσιμες ή ασφαλέστερες από άλλες, υπάρχουν τεράστιες δυνατότητες για τη χρήση νανοσωματιδίων για την ενίσχυση και τη βελτίωση των τεχνολογιών βλαστικών κυττάρων.

Πηγή:

Ferreira, L. et al. Νέες ευκαιρίες: Η χρήση νανοτεχνολογιών για τον χειρισμό και την παρακολούθηση των βλαστικών κυττάρων. Cell Stem Cell 3: 136-146. doi: 10.1016 / j.stem.2008.07.020.