Forskere bruger nanoteknologi til at opdage knoglehelende stamceller

Forskere ved University of Southampton har udviklet en ny måde at bruge nanomaterialer til at identificere og berige skeletstamceller - en opdagelse, der i sidste ende kan føre til nye behandlinger for større knoglebrud og reparation af tabt eller beskadiget knogle.

Arbejde sammen, et hold fysikere, kemikere og vævsingeniøreksperter brugte specialdesignede guldnanopartikler til at 'opsøge' specifikke menneskelige knoglestamceller - hvilket skabte en fluorescerende glød for at afsløre deres tilstedeværelse blandt andre typer celler og tillade dem at blive isoleret eller 'beriget'.

Forskerne konkluderede, at deres nye teknik er enklere og hurtigere end andre metoder og op til 50-500 gange mere effektiv til at berige stamceller.

Studiet, ledet af professor i muskuloskeletal videnskab, Richard Oreffo og professor Antonios Kanaras fra Quantum, Lys og stof gruppe på skolen for fysik og astronomi, er udgivet i ACS Nano -et internationalt anerkendt multidisciplinært tidsskrift.

I laboratorietests, forskerne brugte guldnanopartikler - bittesmå sfæriske partikler bestående af tusindvis af guldatomer - belagt med oligonukleotider (strenge af DNA), at optisk detektere de specifikke messenger RNA (mRNA) signaturer af skeletstamceller i knoglemarv. Når detektion finder sted, nanopartiklerne frigiver et fluorescerende farvestof, gør stamcellerne adskilte fra andre omgivende celler, under mikroskopisk observation. Stamcellerne kan derefter adskilles ved hjælp af en sofistikeret fluorescenscellesorteringsproces.

Stamceller er celler, der endnu ikke er specialiserede og kan udvikle sig til at udføre forskellige funktioner. Identifikation af skeletstamceller gør det muligt for videnskabsmænd at dyrke disse celler under definerede forhold for at muliggøre vækst og dannelse af knogle- og bruskvæv - f.eks. at hjælpe med at reparere brækkede knogler.

Blandt de udfordringer, som vores aldrende befolkning udgør, er behovet for nye og omkostningseffektive tilgange til knoglereparation. Med én ud af tre kvinder og én ud af fem mænd i risiko for osteoporotiske frakturer verden over, omkostningerne er betydelige, med knoglebrud alene, der koster den europæiske økonomi 17 milliarder euro og den amerikanske økonomi 20 milliarder dollars årligt.

Inden for University of Southamptons knogle- og fællesforskningsgruppe, Professor Richard Oreffo og hans team har kigget på knoglestamcelle-baserede terapier i over 15 år for at forstå udviklingen af ​​knoglevæv og generere knogler og brusk. I samme tidsrum, Professor Antonios Kanaras og hans kolleger i Quantum, Light and Matter Group har designet nye nanomaterialer og studeret deres anvendelser inden for biomedicinske videnskaber og energi. Denne seneste undersøgelse bringer effektivt disse discipliner sammen og er et eksempel på virkningssamarbejdet, tværfagligt arbejde kan bringe.

Professor Oreffo sagde:"Skeletstamcelle-baserede terapier tilbyder nogle af de mest spændende og lovende områder for behandling af knoglesygdomme og knogleregenerativ medicin til en aldrende befolkning. De nuværende undersøgelser har udnyttet unikke DNA-sekvenser fra mål, som vi mener ville berige skeletstamcellen. og, ved hjælp af Fluorescence Activated Cell Sorting (FACS) har vi været i stand til at berige knoglestamceller fra patienter. Identifikation af unikke markører er den hellige gral i knoglestamcellebiologi og, mens vi stadig har et stykke vej at gå; disse undersøgelser tilbyder en trinvis ændring i vores evne til at målrette og identificere menneskelige knoglestamceller og det spændende terapeutiske potentiale deri."

Professor Oreffo tilføjede:"Vigtigt, disse undersøgelser viser fordelene ved tværfaglig forskning for at løse et udfordrende problem med state of the art molekylær/cellebiologi kombineret med nanomaterialers kemiplatformsteknologier."

Professor Kanaras sagde:"Det passende design af materialer er afgørende for deres anvendelse i komplekse systemer. Ved at tilpasse nanopartiklernes kemi er vi i stand til at programmere specifikke funktioner i deres design.

"I dette forskningsprojekt, vi designede nanopartikler belagt med korte DNA-sekvenser, som er i stand til at sanse HSPA8 mRNA og Runx2 mRNA i skeletstamceller og sammen med avancerede FACS gatingstrategier, for at muliggøre sortimentet af de relevante celler fra menneskelig knoglemarv.

"Et vigtigt aspekt af nanomaterialedesignet involverer strategier til at regulere tætheden af ​​oligonukleotider på overfladen af ​​nanopartiklerne, som hjælper med at undgå enzymatisk DNA-nedbrydning i celler. Fluorescerende reportere på oligonukleotiderne gør det muligt for os at observere nanopartiklernes status på forskellige stadier af eksperimentet, at sikre kvaliteten af ​​den endocellulære sensor."

Begge ledende forskere erkender også, at resultaterne var mulige på grund af arbejdet fra alle de erfarne forskningsstipendiater og ph.d. studerende involveret i denne forskning samt samarbejde med professor Tom Brown og Dr. Afaf E-Sagheer fra University of Oxford, som syntetiserede en lang række funktionelle oligonukleotider.

Forskerne anvender i øjeblikket enkeltcellet RNA-sekventering til platformsteknologien udviklet med partnere i Oxford og Institute for Life Sciences (IfLS) i Southampton for yderligere at forfine og berige knoglestamceller og vurdere funktionalitet. Holdet foreslår derefter at gå over til klinisk anvendelse med prækliniske knogledannelsesundersøgelser for at generere proof of concept-studier.