- sledování nebo označování
- dodávka
- lešení / plošiny
Některé nanočástice se používají od 90. let pro aplikace 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 známé, 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.
Vizualizace kmenových buněk pomocí částic MRI a SPIO
Výzkum aplikací nanočástic pro zobrazování pomocí magnetické rezonance (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 vyzařují světlo a jsou složeny z atomů ze skupin II-VI periodické tabulky, které často obsahují kadmium. Jsou lepší pro vizualizaci buněk než 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 výsledky pro použití s kmeňovými buňkami než SPIO / MRI a doposud byly použity pouze in vitro, kvůli požadavkům na speciální zařízení pro jejich sledování u celých zvířat.
Dodávka nukleotidu 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 spočívá v použití kationtových polymerů, které interagují s molekulami DNA a RNA. Tam je také prostor pro vývoj inteligentních polymerů , s funkcemi, jako je cílené dodání nebo plánované vydání . Uhlíkové nanotrubice s různými funkčními skupinami byly také testovány na dodávku léků a nukleových kyselin do savčích buněk, ale jejich použití v kmenových buňkách nebylo do značné míry zkoumáno.
Optimalizace prostředí pro kmenové buňky
Významnou oblastí studia ve výzkumu kmenových buněk je oblast extracelulárního prostředí a to, jak podmínky mimo buňku vysílají signály pro kontrolu diferenciace, migrace, adheze a dalších aktivit. Extracelulární matrice (ECM) sestává 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 odlišně modelovaných topografií, které napodobují ECM, a zkoumají jejich účinky 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 přežití 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 nanovláknach 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 se projevuje stoupající poptávka po klinických zkouškách s cílem otestovat nové objevy a zvyšující se zájem o toxicitu nanočástic .
Toxicita nanočástic SPIO byla studována do značné míry. Z větší části se neobjevily toxické, ale jedna studie naznačila 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 jaká data neexistují, všichni 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 vzhledem k 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 využití 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.stem.2008.07.020.