- tracciamento o etichettatura
- consegna
- impalcature / piattaforme
Alcune nanoparticelle sono in uso dagli anni '90, per applicazioni come la consegna di cosmetici / cura della pelle, la consegna di farmaci e l'etichettatura. La sperimentazione con diversi tipi di nanoparticelle come punti quantici, nanotubi di carbonio e nanoparticelle magnetiche, su cellule somatiche o microrganismi, ha fornito lo sfondo da cui è stata avviata la ricerca sulle cellule staminali. È un fatto poco noto che il primo brevetto per la preparazione delle nanofibre sia stato registrato nel 1934. Queste fibre sarebbero alla fine diventate il fondamento degli scaffold per la coltura e il trapianto di cellule staminali, oltre 70 anni dopo.
Visualizzazione di cellule staminali mediante l'uso di particelle MRI e SPIO
La ricerca sulle applicazioni delle nanoparticelle per la risonanza magnetica (MRI) è stata spinta dalla necessità di monitorare le terapie delle cellule staminali. Una scelta comune per questa applicazione è rappresentata dalle nanoparticelle di ossido di ferro superparamagnetico (SPIO), che migliorano il contrasto delle immagini MRI.
Alcuni ossidi di ferro sono già stati approvati dalla FDA. I diversi tipi di particelle sono rivestiti con diversi polimeri all'esterno, di solito un carboidrato. L'etichettatura RM può essere effettuata collegando le nanoparticelle alla superficie della cellula staminale o causando l'assorbimento della particella da parte della cellula staminale attraverso endocitosi o fagocitosi.
Le nanoparticelle hanno contribuito ad aumentare la nostra conoscenza di come le cellule staminali migrano nel sistema nervoso.
Etichettatura usando punti quantici
I punti quantici (Qdots) sono cristalli nano-scala che emettono luce e sono costituiti da atomi dei gruppi II-VI della tavola periodica, spesso incorporando cadmio. Sono migliori per la visualizzazione delle cellule rispetto ad altre tecniche come i coloranti, a causa della loro fotostabilità e longevità. Ciò consente anche il loro uso per lo studio della dinamica cellulare mentre è in corso la differenziazione delle cellule staminali.
I Qdot hanno un track record più breve per l'uso con le cellule staminali rispetto a SPIO / MRI e sono stati utilizzati finora solo in vitro, a causa del requisito di apparecchiature speciali per rintracciarli su animali interi.
Consegna di nucleotidi per controllo genetico
I controlli genetici, usando DNA o siRNA , stanno emergendo come uno strumento utile per controllare le funzioni cellulari nelle cellule staminali, in particolare per dirigere la loro differenziazione. Le nanoparticelle possono essere utilizzate per sostituire i vettori virali tradizionalmente usati, come i retrovirus, che sono stati implicati nel causare complicazioni in organismi interi come indurre mutazioni che portano al cancro. Le nanoparticelle offrono un vettore meno costoso e più facilmente producibile per la trasfezione delle cellule staminali, con un minor rischio di immunogenicità, mutagenicità o tossicità.
Un approccio popolare consiste nell'utilizzare polimeri cationici che interagiscono con le molecole di DNA e RNA. C'è anche spazio per lo sviluppo di polimeri intelligenti , con funzionalità come consegna mirata o rilascio programmato . Nanotubi di carbonio con diversi gruppi funzionali sono stati anche testati per il rilascio di droga e acido nucleico in cellule di mammifero, ma il loro uso nelle cellule staminali non è stato studiato in larga misura.
Ottimizzare l'ambiente delle cellule staminali
Un'area significativa di studio nella ricerca sulle cellule staminali è quella dell'ambiente extracellulare e in che modo le condizioni esterne alla cellula inviano segnali per il controllo della differenziazione, migrazione, adesione e altre attività. La matrice extracellulare (ECM) consiste di molecole secrete da cellule come il collagene, l'elastina e il proteoglicano. Le proprietà di queste escrezioni e della chimica dell'ambiente che creano, forniscono indicazioni per le attività delle cellule staminali.
Le nanoparticelle sono state utilizzate per progettare topografie di modelli diversi che imitano l'ECM, per studiarne gli effetti sulle cellule staminali.
Una delle principali complicanze incontrate con le terapie con cellule staminali è stata il fallimento delle cellule iniettate ad attaccare i tessuti bersaglio. Gli scaffold in nanoscala migliorano la sopravvivenza cellulare aiutando il processo di innesto. Nanofibre filate da polimeri sintetici come il poli (acido lattico) (PLA), o polimeri naturali di collagene, proteine della seta o chitosano, forniscono canali per l'allineamento delle cellule staminali e progenitrici. L'obiettivo finale è quello di determinare quale composizione di scaffold migliori promuove la corretta adesione e proliferazione delle cellule staminali e utilizzare questa tecnica per i trapianti di cellule staminali. Tuttavia, sembra che la morfologia delle cellule cresciute su nanofibre possa differire da quelle coltivate su altri terreni, e sono stati riportati pochi studi in vivo.
Tossicità delle nanoparticelle alle cellule staminali
Come per tutte le scoperte biomediche, l'uso di nanoparticelle per queste applicazioni in vivo (negli esseri umani) richiede l'approvazione della FDA. Con la scoperta del potenziale delle nanoparticelle per le applicazioni di cellule staminali, è arrivata un'escalation di studi clinici per testare le nuove scoperte e aumentare l'interesse per la tossicità delle nanoparticelle .
La tossicità delle nanoparticelle SPIO è stata studiata in larga misura. Per la maggior parte, non sono apparsi tossici, ma uno studio ha suggerito un effetto sulla differenziazione delle cellule staminali. Tuttavia, vi è ancora qualche incertezza sul fatto che la tossicità sia stata causata dalle nanoparticelle o dall'agente / composto di trasfezione.
I dati sulla tossicità per Qdot sono scarsi, ma i dati non sono tutti d'accordo. Alcuni studi non segnalano effetti avversi sulla morfologia delle cellule staminali, sulla proliferazione e sulla differenziazione, mentre altri riportano anomalie. Le differenze nei risultati dei test potrebbero essere attribuite alle diverse composizioni delle nanoparticelle o delle cellule bersaglio, pertanto sono necessarie molte più ricerche per stabilire cosa è sicuro e cosa no, e per quali tipi di cellule. Ciò che è noto è che il cadmio ossidato (Cd2 +) può essere tossico a causa del suo effetto sui mitocondri delle cellule. Ciò è ulteriormente complicato dal rilascio di specie reattive dell'ossigeno durante la degradazione di Qdot.
I nanotubi di carbonio sembrano essere generalmente genotossici, a seconda della loro forma, dimensione, concentrazione e composizione superficiale, e potrebbero contribuire alla generazione di specie reattive dell'ossigeno nelle cellule.
Le nanoparticelle sono strumenti promettenti per nuove tecniche biomediche, a causa delle loro piccole dimensioni e della capacità di penetrare nelle cellule. Poiché i progressi della ricerca continuano ad aumentare la nostra conoscenza dei fattori che controllano le funzioni delle cellule staminali, è probabile che verranno scoperte nuove applicazioni per le nanoparticelle, in accordo con le cellule staminali. Mentre le prove suggeriscono che alcune applicazioni risulteranno più utili o più sicure di altre, esiste un enorme potenziale per l'utilizzo di nanoparticelle per migliorare e migliorare le tecnologie delle cellule staminali.
> Fonte:
> Ferreira, L. et al. 2008. Nuove opportunità: l'uso delle nanotecnologie per manipolare e seguire le cellule staminali. Cell Stem Stem Cell 3: 136-146. doi: 10.1016 / j.stem.2008.07.020.