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Bestimmte Nanopartikel werden seit den 90er Jahren für Anwendungen wie die Abgabe von Kosmetika / Hautpflege, die Verabreichung von Arzneimitteln und die Etikettierung verwendet. Experimente mit verschiedenen Arten von Nanopartikeln wie Quantenpunkten, Kohlenstoff-Nanoröhren und magnetischen Nanopartikeln, auf somatischen Zellen oder Mikroorganismen haben den Hintergrund geliefert, von dem aus die Stammzellenforschung gestartet wurde. Es ist eine wenig bekannte Tatsache, dass das erste Patent für die Herstellung von Nanofasern im Jahr 1934 aufgezeichnet wurde. Diese Fasern wurden schließlich über 70 Jahre später zur Grundlage von Gerüsten für die Stammzellkultur und -transplantation.
Visualisierung von Stammzellen mit MRI und SPIO-Partikeln
Die Erforschung der Anwendungen von Nanopartikeln für die Magnetresonanztomographie (MRT) wurde durch die Notwendigkeit vorangetrieben, Stammzellentherapeutika zu verfolgen. Eine häufige Wahl für diese Anwendung sind superparamagnetische Eisenoxid (SPIO) -Nanopartikel, die den Kontrast von MRI-Bildern verbessern.
Einige Eisenoxide wurden bereits von der FDA zugelassen. Die verschiedenen Arten von Partikeln sind außen mit verschiedenen Polymeren beschichtet, meist ein Kohlenhydrat. Die MRI-Markierung kann erfolgen, indem die Nanopartikel an die Stammzelloberfläche gebunden werden oder die Aufnahme der Partikel durch die Stammzelle durch Endozytose oder Phagozytose bewirkt wird.
Nanopartikel haben dazu beigetragen, unser Wissen darüber, wie Stammzellen im Nervensystem wandern, zu erweitern.
Beschriftung mit Quantum Dots
Quantenpunkte (Q-Punkte) sind nanoskalige Kristalle, die Licht emittieren und aus Atomen der Gruppen II-VI des Periodensystems bestehen, die oft 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 für die Verwendung mit Stammzellen als SPIO / MRI und wurden bislang nur in vitro verwendet, da sie eine spezielle Ausrüstung benötigen, um sie in ganzen Tieren zu verfolgen.
Nucleotidabgabe für die genetische Kontrolle
Genetische Kontrollen, die DNA oder siRNA verwenden , entwickeln sich als ein nützliches Werkzeug zur Steuerung zellulärer Funktionen in Stammzellen, insbesondere zur Steuerung ihrer Differenzierung. Nanopartikel können verwendet werden, um die herkömmlicherweise verwendeten viralen Vektoren, wie Retroviren, zu ersetzen, die mitverantwortlich für die Verursachung von Komplikationen in ganzen Organismen sind, wie zum Beispiel die Induktion von Mutationen, die zu Krebs führen. Nanopartikel bieten einen weniger teuren, leichter herstellbaren Vektor für die Transfektion von Stammzellen mit einem geringeren Risiko für Immunogenität, Mutagenität oder Toxizität.
Ein beliebter Ansatz besteht darin, kationische Polymere zu verwenden, die mit DNA- und RNA-Molekülen interagieren. Es gibt auch Raum für die Entwicklung intelligenter Polymere mit Funktionen wie der gezielten Lieferung oder der geplanten Freigabe . Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit verschiedenen funktionellen Gruppen wurden ebenfalls auf die Abgabe von Arzneimitteln und Nukleinsäuren in Säugetierzellen getestet, aber ihre Verwendung in Stammzellen wurde nicht in großem Ausmaß untersucht.
Optimierung der Stammzellenumgebung
Ein wichtiger Forschungsbereich in der Stammzellenforschung ist das der extrazellulären Umgebung und wie Zustände außerhalb der Zelle Signale zur Steuerung von Differenzierung, Migration, Adhäsion und anderen Aktivitäten senden. Die extrazelluläre Matrix (ECM) besteht aus Molekülen, die von Zellen wie Kollagen, Elastin und Proteoglycan sezerniert werden. Die Eigenschaften dieser Ausscheidungen und die Chemie der Umwelt, die sie erzeugen, geben eine Richtung für die Stammzellaktivitäten vor.
Nanopartikel wurden verwendet, um unterschiedlich gemusterte Topographien, die die ECM nachahmen, zu entwickeln, um ihre Auswirkungen auf Stammzellen zu untersuchen.
Eine Hauptkomplikation, die bei Stammzelltherapien angetroffen wird, ist das Versagen von injizierten Zellen, sich in Zielgewebe einzuklinken. Nanoskalige Gerüste verbessern das Zellüberleben, indem sie den Pfropfprozess unterstützen. Nanofasern, die aus synthetischen Polymeren wie Poly (Milchsäure) (PLA) oder natürlichen Polymeren aus Kollagen, Seidenprotein oder Chitosan gesponnen werden, stellen Kanäle für die Ausrichtung von Stamm- und Vorläuferzellen bereit. Das ultimative Ziel ist es, zu bestimmen, welche Gerüstzusammensetzung die richtige Adhäsion und Proliferation der Stammzellen am besten fördert und diese Technik für Stammzelltransplantationen verwendet. Es scheint jedoch, dass die Morphologie von Zellen, die auf Nanofasern gezüchtet werden, sich von Zellen unterscheiden kann, die auf anderen Medien gezüchtet werden, und über wenige In-vivo-Studien wurde berichtet.
Nanopartikeltoxizität für Stammzellen
Wie bei allen biomedizinischen Entdeckungen erfordert die Verwendung von Nanopartikeln für diese Anwendungen in vivo (beim Menschen) die Genehmigung der FDA. Mit der Entdeckung des Potenzials von Nanopartikeln für Stammzellenanwendungen steigt der Bedarf an klinischen Studien, um die neuen Erkenntnisse zu testen und das Interesse an Nanopartikeltoxizität zu steigern.
Die Toxizität von SPIO-Nanopartikeln wurde in hohem Maße untersucht. Zum größten Teil waren sie nicht toxisch, aber eine Studie hat einen Effekt auf die Differenzierung von Stammzellen nahegelegt. Es besteht jedoch immer noch eine gewisse Unsicherheit darüber, ob die Toxizität durch die Nanopartikel oder das Transfektionsmittel / die Transfektionsverbindung verursacht wurde.
Toxizitätsdaten für Q-Punkte sind knapp, aber welche Daten es gibt, stimmen nicht alle überein. Einige Studien berichten über keine nachteiligen Auswirkungen auf die Stammzellmorphologie, Proliferation und Differenzierung, während andere über Anomalien berichten. Die Unterschiede in den Testergebnissen könnten auf die unterschiedlichen Zusammensetzungen der Nanopartikel oder Zielzellen zurückzuführen sein, 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 durch die Freisetzung von reaktiven Sauerstoffspezies während des Qdot-Abbaus weiter erschwert.
Kohlenstoff-Nanoröhrchen scheinen im Allgemeinen genotoxisch zu sein, abhängig von ihrer Form, Größe, Konzentration und Oberflächenzusammensetzung, 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 Fortschritte in der Forschung unser Wissen über die Faktoren, die Stammzellfunktionen steuern, weiter vertiefen, werden wahrscheinlich neue Anwendungen für Nanopartikel zusammen mit Stammzellen entdeckt. Während die Ergebnisse darauf hindeuten, dass sich einige Anwendungen als nützlicher oder sicherer erweisen werden als andere, besteht ein enormes Potenzial für den Einsatz von Nanopartikeln zur Verbesserung und Verbesserung von Stammzelltechnologien.
> Quelle:
> Ferreira, L. et al. 2008. Neue Möglichkeiten: Der Einsatz von Nanotechnologien zur Manipulation und Verfolgung von Stammzellen. Zellstammzelle 3: 136-146. doi: 10.1016 / j.stem.2008.07.020.