Работая вместе, команда физиков, химиков и экспертов по тканевой инженерии использовала специально разработанные золотые наночастицы для «поиска» определенных стволовых клеток костей человека, создавая флуоресцентное свечение, чтобы выявить их присутствие среди других типов клеток и позволить их изолировать или изолировать. ‘обогащенный’.
Исследователи пришли к выводу, что их новый метод проще и быстрее, чем другие методы, и в 50-500 раз более эффективен в обогащении стволовых клеток.
Исследование, проведенное профессором костно-мышечной науки Ричардом Ореффо и профессором Антониосом Канарасом из группы «Квант, свет и материя» Школы физики и астрономии, опубликовано в ACS Nano – всемирно признанном многопрофильном журнале.
В лабораторных испытаниях исследователи использовали наночастицы золота – крошечные сферические частицы, состоящие из тысяч атомов золота, покрытые олигонуклеотидами (нити ДНК), чтобы оптически обнаружить сигнатуры специфической информационной РНК (мРНК) скелетных стволовых клеток в костном мозге.
Когда происходит обнаружение, наночастицы выделяют флуоресцентный краситель, благодаря чему стволовые клетки становятся отличимыми от других окружающих клеток под микроскопом. Затем стволовые клетки могут быть отделены с помощью сложного процесса сортировки флуоресцентных клеток.
Стволовые клетки – это клетки, которые еще не специализированы и могут развиваться для выполнения различных функций. Идентификация скелетных стволовых клеток позволяет ученым выращивать эти клетки в определенных условиях, чтобы обеспечить рост и формирование костной и хрящевой ткани – например, для восстановления сломанных костей.
Среди проблем, создаваемых нашим стареющим населением, – потребность в новых и экономически эффективных подходах к восстановлению костей. Поскольку каждая третья женщина и каждый пятый мужчина подвержены риску остеопоротических переломов во всем мире, затраты значительны: одни только переломы костей обходятся европейской экономике в 17 миллиардов евро, а экономике США – 20 миллиардов долларов в год.
В рамках группы исследований костей и совместных исследований Саутгемптонского университета профессор Ричард Ореффо и его команда уже более 15 лет изучают методы лечения на основе костных стволовых клеток, чтобы понять развитие костной ткани и создать кость и хрящ. В тот же период профессор Антониос Канарас и его коллеги из группы Quantum, Light and Matter разрабатывали новые наноматериалы и изучали их применение в областях биомедицинских наук и энергетики.
Это последнее исследование эффективно объединяет эти дисциплины и является примером того, какое влияние может принести совместная междисциплинарная работа.
Профессор Ореффо сказал: «Терапия на основе скелетных стволовых клеток предлагает одни из самых интересных и многообещающих направлений лечения заболеваний костей и регенеративной медицины костей для стареющего населения. В текущих исследованиях были задействованы уникальные последовательности ДНК от мишеней, которые, как мы полагаем, могут обогатить скелетные стволовые клетки, и с помощью сортировки с активацией флуоресценции клеток (FACS) мы смогли обогатить костные стволовые клетки пациентов. Идентификация уникальных маркеров – это святой Грааль в биологии костных стволовых клеток, и, хотя нам еще предстоит кое-что сделать; Эти исследования предлагают ступенчатое изменение нашей способности нацеливать и идентифицировать человеческие костные стволовые клетки и их захватывающий терапевтический потенциал."
Профессор Ореффо добавил: «Важно то, что эти исследования демонстрируют преимущества междисциплинарных исследований для решения сложной проблемы с использованием современной молекулярной / клеточной биологии в сочетании с технологиями платформы химии наноматериалов."
Профессор Канарас сказал: «Соответствующий дизайн материалов имеет важное значение для их применения в сложных системах.
Настраивая химию наночастиц, мы можем запрограммировать определенные функции в их конструкции.
«В этом исследовательском проекте мы разработали наночастицы, покрытые короткими последовательностями ДНК, которые способны воспринимать мРНК HSPA8 и мРНК Runx2 в скелетных стволовых клетках, а также вместе с передовыми стратегиями гейтинга FACS, чтобы обеспечить набор соответствующих клеток из костного мозга человека.
«Важный аспект дизайна наноматериалов включает стратегии регулирования плотности олигонуклеотидов на поверхности наночастиц, которые помогают избежать ферментативной деградации ДНК в клетках. Флуоресцентные репортеры на олигонуклеотидах позволяют нам наблюдать за состоянием наночастиц на разных этапах эксперимента, обеспечивая качество внутриклеточного сенсора."
Оба ведущих исследователя также признают, что эти достижения стали возможны благодаря работе всех опытных научных сотрудников и докторантов, участвовавших в этом исследовании, а также сотрудничеству с профессором Томом Брауном и доктором Афафом Э-Сагиром из Оксфордского университета, которые синтезировали большое разнообразие функциональных олигонуклеотидов.
В настоящее время ученые применяют секвенирование РНК отдельных клеток к технологии платформы, разработанной с партнерами из Оксфорда и Института наук о жизни (IfLS) в Саутгемптоне, для дальнейшего уточнения и обогащения костных стволовых клеток и оценки функциональности. Затем команда предлагает перейти к клиническому применению с доклиническими исследованиями формирования костной ткани, чтобы получить доказательства концептуальных исследований.
Работа стала возможной благодаря гранту проекта BBSRC профессору Ореффо и профессору Канарасу.