Nanopartikel und Stammzell-Anwendungen

Anwendungen, bei denen Nanopartikel mit Stammzellen kombiniert werden

Nanotechnologie und biomedizinische Behandlungen mit Stammzellen (z. B. therapeutisches Klonen) gehören zu den neuesten Errungenschaften der biotechnologischen Forschung. Noch vor kurzem haben Wissenschaftler begonnen, Wege zu finden, die beiden zu heiraten. Seit etwa 2003 häufen sich Beispiele für Nanotechnologie und Stammzellen in wissenschaftlichen Zeitschriften. Während die potenziellen Anwendungen für die Nanotechnologie in der Stammzellenforschung zahllos sind, können drei Hauptkategorien ihrer Verwendung zugeordnet werden:

• Verfolgung oder Markierung
• Lieferung
• Gerüst / Plattformen

Bestimmte Nanopartikel werden seit den 1990er Jahren für Anwendungen wie die Lieferung von Kosmetika / Hautpflegemitteln, die Verabreichung von Arzneimitteln und die Kennzeichnung verwendet. Experimente mit verschiedenen Arten von Nanopartikeln, wie Quantenpunkten, Kohlenstoffnanoröhren und magnetischen Nanopartikeln, an somatischen Zellen oder Mikroorganismen, haben den Hintergrund geliefert, aus dem die Stammzellenforschung hervorgegangen ist. Es ist eine wenig bekannte Tatsache, dass das erste Patent für die Herstellung von Nanofasern im Jahr 1934 aufgezeichnet wurde. Diese Fasern würden schließlich die Grundlage von Gerüsten für Stammzellkultur und Transplantation - über 70 Jahre später.

Visualisierung von Stammzellen mit MRI- und SPIO-Partikeln

Forschung zu den Anwendungen von Nanopartikeln für Magnetresonanztomographie (MRT) wurde durch die Notwendigkeit der Verfolgung von Stammzelltherapien forciert .. Eine häufige Wahl für diese Anwendung sind superparamagnetische Eisenoxid (SPIO) -Nanopartikel, die den Kontrast von MRT-Bildern verbessern.

Einige Eisenoxide wurden bereits von der FDA zugelassen. Die verschiedenen Arten von Partikeln sind auf der Außenseite mit verschiedenen Polymeren beschichtet, üblicherweise einem Kohlenhydrat. Die MRT-Markierung kann durchgeführt werden, indem die Nanopartikel an der Stammzellenoberfläche befestigt werden oder durch Endozytose oder Phagozytose die Partikel durch die Stammzelle aufgenommen werden.

Nanopartikel haben dazu beigetragen, dass wir wissen, wie Stammzellen im Nervensystem wandern.

Beschriftung mit Quantenpunkten

Quantenpunkte (QDots) sind nanoskalige Kristalle, die Licht emittieren und aus Atomen der Gruppen II-VI des Periodensystems bestehen, die häufig Cadmium enthalten. Sie sind besser für die Visualisierung von Zellen als bestimmte andere Techniken wie Farbstoffe, wegen ihrer Photostabilität und Langlebigkeit. Dies ermöglicht auch ihre Verwendung zur Untersuchung der zellulären Dynamik, während die Differenzierung von Stammzellen im Gange ist.

Q-Punkte haben eine kürzere Erfolgsbilanz bei der Verwendung von Stammzellen als SPIO / MRI und wurden bisher nur in vitro eingesetzt, da für die Verfolgung ganzer Tiere spezielle Geräte erforderlich sind.

Nucleotidabgabe für die genetische Kontrolle

Genetische Kontrollen unter Verwendung von DNA oder siRNA werden als ein nützliches Werkzeug zur Steuerung der zellulären Funktionen in Stammzellen, insbesondere zur Steuerung ihrer Differenzierung, eingesetzt.Nanopartikel können verwendet werden, um die traditionell verwendeten viralen Vektoren, wie Retroviren, zu ersetzen, die mit der Verursachung von Komplikationen in ganzen Organismen in Verbindung gebracht werden, wie zum Beispiel das Induzieren von Mutationen, die zu Krebs führen. Nanopartikel bieten einen kostengünstigeren, leichter herzustellenden Vektor für die Transfektion von Stammzellen mit einem geringeren Risiko für Immunogenität, Mutagenität oder Toxizität. Ein populärer Ansatz besteht darin, kationische Polymere zu verwenden, die mit DNA- und RNA-Molekülen wechselwirken. Es gibt auch Raum für die Entwicklung von intelligenten Polymeren mit Merkmalen wie

zielgerichtete Abgabe oder geplante Freisetzung . Kohlenstoffnanoröhren mit verschiedenen funktionellen Gruppen wurden auch auf die Abgabe von Arzneimitteln und Nukleinsäuren in Säugerzellen getestet, aber ihre Verwendung in Stammzellen wurde nicht in großem Umfang untersucht. Optimierung der Stammzellumgebung

Ein bedeutendes Forschungsgebiet in der Stammzellforschung ist das der extrazellulären Umgebung und wie Zustände außerhalb der Zelle Signale zur Steuerung von Differenzierung, Migration, Adhäsion und anderen Aktivitäten aussenden. Die

extrazelluläre Matrix (ECM) besteht aus Molekülen, die von Zellen wie Kollagen, Elastin und Proteoglycan sekretiert werden. Die Eigenschaften dieser Exkremente und die Chemie der Umwelt, die sie erzeugen, geben die Richtung für Stammzellaktivitäten vor. Nanopartikel wurden verwendet, um verschiedene gemusterte Topographien zu konstruieren, die die ECM nachahmen, um ihre Auswirkungen auf Stammzellen zu untersuchen.

Eine Hauptkomplikation, die bei Stammzellentherapien angetroffen wurde, war das Versagen von injizierten Zellen, sich an Zielgewebe anzulagern. Nanoskalige

Gerüste verbessern das Überleben der Zellen, indem sie den Transplantationsprozess unterstützen. Nanofasern, die aus synthetischen Polymeren wie Poly (milchsäure) (PLA) oder natürlichen Polymeren von Kollagen, Seidenprotein oder Chitosan gesponnen werden, stellen Kanäle für die Ausrichtung von Stamm- und Vorläuferzellen bereit. Das ultimative Ziel besteht darin, zu bestimmen, welche Gerüstzusammensetzung die richtige Adhäsion und Proliferation der Stammzellen am besten fördert und diese Technik für Stammzelltransplantationen verwenden. Es scheint jedoch, dass die Morphologie von Zellen, die auf Nanofasern gewachsen sind, sich von Zellen unterscheiden kann, die auf anderen Medien gezüchtet werden, und wenige In-vivo-Studien wurden berichtet. Nanopartikeltoxizität gegenüber Stammzellen

Wie bei allen biomedizinischen Entdeckungen muss die Verwendung von Nanopartikeln für diese Anwendungen

in vivo (beim Menschen) von der FDA genehmigt werden. Mit der Entdeckung des Potenzials von Nanopartikeln für Stammzellanwendungen ist die Nachfrage nach klinischen Studien gestiegen, um die neuen Entdeckungen und das zunehmende Interesse an Nanopartikeltoxizität zu testen. Die Toxizität von

SPIO-Nanopartikeln wurde zu einem großen Teil untersucht. Größtenteils erschienen sie nicht toxisch, aber eine Studie hat einen Effekt auf die Differenzierung von Stammzellen vorgeschlagen. Es besteht jedoch immer noch Unsicherheit darüber, ob die Toxizität durch die Nanopartikel oder das Transfektionsmittel / die Verbindung verursacht wurde. Toxizitätsdaten für

Qdots sind rar, aber welche Daten stimmen, stimmen nicht alle überein.Einige Studien berichten über keine nachteiligen Auswirkungen auf die Morphologie, Proliferation und Differenzierung von Stammzellen, während andere von Abnormalitäten berichten. Die Unterschiede in den Testergebnissen könnten den unterschiedlichen Zusammensetzungen der Nanopartikel oder Zielzellen zugeschrieben werden, daher ist viel mehr Forschung erforderlich, um festzustellen, was sicher ist und was nicht und für welche Arten von Zellen. Bekannt ist, dass oxidiertes Cadmium (Cd2 +) aufgrund seiner Wirkung auf die Mitochondrien von Zellen toxisch sein kann. Dies wird weiter durch die Freisetzung von reaktiven Sauerstoffspezies während des Qdot-Abbaus erschwert. Kohlenstoff-Nanoröhren

scheinen in Abhängigkeit von ihrer Form, Größe, Konzentration und Oberflächenzusammensetzung im Allgemeinen genotoxisch zu sein und könnten zur Bildung reaktiver Sauerstoffspezies in Zellen beitragen. Nanopartikel sind aufgrund ihrer geringen Größe und ihrer Fähigkeit, in Zellen einzudringen, vielversprechende Werkzeuge für neue biomedizinische Techniken. Da Forschungsfortschritte weiterhin zu unserem Wissen über die Faktoren beitragen, die die Stammzellfunktionen steuern, ist es wahrscheinlich, dass neue Anwendungen für Nanopartikel in Verbindung mit Stammzellen entdeckt werden. Während die Hinweise darauf hindeuten, dass einige Anwendungen sich als nützlicher oder sicherer erweisen werden als andere, besteht ein enormes Potenzial für die Verwendung von Nanopartikeln zur Verbesserung und Verbesserung von Stammzelltechnologien.

Quelle:

Ferreira, L. et al. 2008. Neue Möglichkeiten: Nutzung von Nanotechnologien zur Manipulation und Verfolgung von Stammzellen. Zellstammzelle 3: 136-146. Doi: 10. 1016 / j. Stengel. 2008. 07. 020.