Nanoparticles at Stem Cell Applications

Ang mga nanotechnology at biomedical treatment gamit ang stem cells (tulad ng therapeutic cloning) ay kabilang sa mga pinakabagong veins ng biotechnological na pananaliksik. Kahit na mas kamakailan, nagsimula ang mga siyentipiko na makahanap ng mga paraan upang pakasalan ang dalawa. Mula noong mga taon ng 2003, ang mga halimbawa ng pagsasama ng nanotechnology at mga stem cell ay naipon sa mga siyentipikong journal. Habang ang mga potensyal na application para sa nanotechnology sa stem cell na pananaliksik ay hindi mabilang, tatlong pangunahing mga kategorya ang maaaring italaga sa kanilang paggamit:

• pagsubaybay o pag-label
• paghahatid
• scaffold / platform

Ang ilang mga nanoparticle ay ginagamit mula noong dekada ng 1990, para sa mga application tulad ng cosmetic / skin care delivery, paghahatid ng droga at pag-label. Ang eksperimentasyon sa iba't ibang uri ng nanoparticles tulad ng mga tuldok ng quantum, carbon nanotubes at magnetic nanoparticles, sa somatic cells o microorganisms, ay nagbigay ng background kung saan naitaguyod ang pananaliksik ng stem cell. Ito ay isang maliit na kilalang katotohanan na ang unang patent para sa paghahanda ng mga nanofibers ay naitala noong 1934. Ang mga fibre na ito ay kalaunan ay magiging pundasyon ng mga scaffolds para sa stem cell culture at transplantation-mahigit 70 taon na ang lumipas.

Pag-visualize ng mga Stem Cell Paggamit ng mga particle ng MRI at SPIO

Pananaliksik sa mga aplikasyon ng nanoparticles para sa magnetic resonance imaging (MRI) ay na-hunhon sa pamamagitan ng pangangailangan upang subaybayan ang stem cell therapeutics. Ang isang karaniwang pagpipilian para sa application na ito ay superparamagnetic iron oxide (SPIO) nanoparticles, na nagpapahusay sa kaibahan ng mga imahe ng MRI. Ang ilang mga iron oxide ay naaprubahan na ng FDA. Ang iba't ibang uri ng mga particle ay pinahiran na may iba't ibang polimer sa labas, karaniwang isang karbohidrat. Ang pag-label ng MRI ay maaaring gawin sa pamamagitan ng pag-attach sa nanoparticles sa ibabaw ng stem cell o pagdudulot ng uptake ng particle ng stem cell sa pamamagitan ng endocytosis o phagocytosis.

Nakatulong ang mga nanopartikel sa aming kaalaman kung paano lumipat ang mga cell stem sa nervous system.

Pag-label Paggamit ng Quantum Dots

Ang mga kuwantum ng kuwantum (Qdots) ay mga kristal nano-scale na naglalabas ng liwanag at binubuo ng mga atomo mula sa mga grupo II-VI ng periodic table, kadalasang nagsasama ng kadmyum. Sila ay mas mahusay para sa pagtingin sa mga cell kaysa sa ilang mga iba pang mga diskarte tulad ng mga tina, dahil sa kanilang photostability at kahabaan ng buhay. Pinapayagan din nito ang kanilang paggamit para sa pag-aaral ng mga dinamika ng cell habang ang pagkita ng kaibahan ng mga stem cell ay nasa progreso.

Ang mga Qdots ay may mas maikling rekord ng track para magamit sa mga stem cell kaysa sa SPIO / MRI at ginagamit lamang sa vitro sa ngayon, dahil sa pangangailangan para sa mga espesyal na kagamitan upang masubaybayan ang mga ito sa buong mga hayop.

Pagpapadala ng Nucleotide para sa Genetic Control

Ang mga kontrol ng genetiko, gamit ang DNA o siRNA, ay umuusbong bilang isang kapaki-pakinabang na tool para sapagkontrol ng mga function ng cellular sa mga stem cells, lalo na para sa pamamahala ng kanilang pagkita ng kaibhan. Ang mga nanoparticle ay maaaring gamitin upang palitan ang mga tradisyonal na ginamit viral vectors, tulad ng mga retrovirus, na na-implicated sa nagiging sanhi ng mga komplikasyon sa buong organismo tulad ng inducing mutations na humahantong sa kanser. Ang mga nanopartikel ay nag-aalok ng isang mas mura, mas madali upang makabuo ng vector para sa transfection ng stem cell, na may mas mababang panganib ng immunogenicity, mutagenicity o toxicity.

Ang isang popular na diskarte ay ang paggamit ng cationic polymers na nakikipag-ugnayan sa DNA at RNA molecules. Mayroon ding silid para sa pag-unlad ng matalinong polimer, na may mga tampok tulad ng naka-target na paghahatid o nakaiskedyul na paglabas . Ang mga carbon nanotubes na may iba't ibang mga grupo ng pagganap ay nasubok din para sa paghahatid ng droga at nucleic acid sa mga selulang mammalian, ngunit ang kanilang paggamit sa stem cells ay hindi pa nasisiyasat sa isang malaking lawak.

Pag-optimize ng Stem Cell Environment

Ang isang mahalagang lugar ng pag-aaral sa stem cell na pananaliksik ay ang ekstraselyular na kapaligiran at kung paano ang mga kondisyon sa labas ng cell ay magpadala ng mga signal para sa kontrol ng pagkita ng kaibhan, migration, pagdirikit at iba pang mga gawain. Angextracellular matrix (ECM), ay binubuo ng mga molecule na itinago ng mga selula tulad ng collagen, elastin, at proteoglycan. Ang mga katangian ng mga excretions at kimika ng kapaligiran na nilikha nila, nagbibigay ng direksyon para sa mga aktibidad ng stem cell. Ang mga nanoparticle ay ginamit upang mag-engineer ng mga magkakaibang patterned topographies na gayahin ang ECM, para sa pag-aaral ng kanilang mga epekto sa stem cell.

Ang isang pangunahing komplikasyon na nakatagpo ng mga stem cell therapies ay ang kabiguan ng mga iniksyon na mga cell upang mag-ukit upang ma-target ang mga tisyu. Nanoscale scaffolds pagbutihin ang kaligtasan ng cell sa pamamagitan ng pagtulong sa proseso ng pag-ukit. Ang mga nanofibers na sinulid mula sa sintetikong polymers tulad ng poly (lactic acid) (PLA), o natural na polymers ng collagen, protina ng sutla o chitosan, ay nagbibigay ng mga channel para sa pagkakahanay ng mga stem at progenitor cells. Ang tunay na layunin ay upang matukoy kung ano ang pinakamahusay na pampalakas ng komposisyon na nagtataguyod ng tamang pagdirikit at paglaganap ng mga stem cell at gamitin ang pamamaraan na ito para sa mga transplantasyon ng stem cell.

Gayunpaman, lumilitaw na ang morpolohiya ng mga selula na lumaki sa mga nanofibers ay maaaring naiiba sa mga selulang lumaki sa iba pang media, at ang ilan sa mga pag-aaral sa vivo ay iniulat.

Nanoparticle Toxicity to Stem Cells

Tulad ng lahat ng biomedical discoveries, paggamit ng nanoparticles para sa mga application na ito sa vivo (sa mga tao) ay nangangailangan ng pag-apruba ng FDA. Sa pagtuklas ng potensyal ng nanoparticles para sa mga aplikasyon ng stem cell, dumating ang isang lumalaki na pangangailangan para sa mga klinikal na pagsubok upang masubukan ang mga bagong pagtuklas at pagtaas ng interes sa nanoparticle toxicity.

Ang toxicity ngSPIO nanoparticles ay na-aral sa isang malaking lawak.Sa karamihan ng bahagi, hindi sila lumitaw na nakakalason, ngunit isang pag-aaral ay nagmungkahi ng isang epekto sa pagkita ng mga selula ng stem. Gayunpaman, may ilang mga kawalan ng katiyakan kung ang toxicity ay sanhi ng nanoparticles o ang transfection agent / compound.

Data ng toxicity para saQdots ay mahirap makuha, ngunit kung ano ang data ay hindi lahat ay sumasang-ayon. Ang ilang pag-aaral ay hindi nag-uulat ng mga salungat na epekto sa stem cell morpolohiya, paglaganap, at pagkita ng kaibhan, habang ang iba ay nag-uulat ng mga abnormalidad. Ang mga pagkakaiba sa mga resulta ng pagsusulit ay maaaring maiugnay sa iba't ibang komposisyon ng mga nanopartikel o target na mga selula, kaya marami pang pananaliksik ang kinakailangan upang maitatag ang ligtas at kung ano ang hindi, at para sa anong mga uri ng mga selula. Ang nakilala ay ang oxidized cadmium (Cd2 +) ay maaaring nakakalason dahil sa epekto nito sa mitochondria ng mga selula.

Ito ay higit pang kumplikado sa pamamagitan ng pagpapalabas ng reactive oxygen species sa panahon ng Qdot marawal na kalagayan.

Carbon nanotubes Lumilitaw na sa pangkalahatan ay genotoxic, depende sa kanilang hugis, sukat, konsentrasyon at komposisyon sa ibabaw, at maaaring magbigay ng kontribusyon sa generative ng reaktibo oxygen species sa mga cell.

Ang nanoparticles ay promising tools para sa mga bagong biomedical techniques, dahil sa kanilang maliit na sukat at kakayahang tumagos ng mga cell. Tulad ng pagsulong ng pananaliksik patuloy na idagdag sa aming kaalaman sa mga kadahilanan sa pagkontrol ng mga stem cell function, malamang na ang mga bagong application para sa nanoparticles, sa konsyerto na may mga stem cell, ay matutuklasan. Habang nagpapahiwatig ang katibayan na ang ilang mga application ay magiging mas kapaki-pakinabang, o mas ligtas, kaysa sa iba, may napakalaking potensyal para sa paggamit ng mga nanopartikel upang mapahusay at mapabuti ang mga teknolohiya ng stem cell.

Pinagmulan:

Ferreira, L. et al. 2008. Mga bagong pagkakataon: Ang paggamit ng nanotechnologies upang manipulahin at subaybayan ang stem cells. Cell Stem Cell 3: 136-146. doi: 10.1016 / j.stem.2008.07.020.