Los científicos utilizan nanopartículas de oro especialmente diseñadas para ‘buscar’ células madre óseas



Investigadores de la Universidad de Southampton han desarrollado una nueva forma de usar nanomateriales para identificar y enriquecer las células madre esqueléticas, un descubrimiento que eventualmente podría conducir a nuevos tratamientos para fracturas óseas importantes y la reparación de huesos perdidos o dañados.

Trabajando juntos, un equipo de físicos, químicos y expertos en ingeniería de tejidos utilizó nanopartículas de oro especialmente diseñadas para ‘buscar’ células madre óseas humanas específicas, creando un brillo fluorescente para revelar su presencia entre otros tipos de células y permitir que se aíslen o ‘ enriquecido’.

Los investigadores concluyeron que su nueva técnica es más simple y rápida que otros métodos y hasta 50-500 veces más efectiva para enriquecer las células madre.

El estudio, dirigido por el profesor de Ciencias Musculoesqueléticas, Richard Oreffo y el profesor Antonios Kanaras del Grupo Cuántico, Luz y Materia de la Facultad de Física y Astronomía, se publica en ACS Nano – una revista multidisciplinar reconocida internacionalmente.

En pruebas de laboratorio, los investigadores utilizaron nanopartículas de oro, pequeñas partículas esféricas compuestas por miles de átomos de oro, recubiertas con oligonucleótidos (hebras de ADN), para detectar ópticamente las firmas específicas del ARN mensajero (ARNm) de las células madre esqueléticas en la médula ósea. Cuando tiene lugar la detección, las nanopartículas liberan un tinte fluorescente, lo que hace que las células madre se distingan de otras células circundantes, bajo observación microscópica. A continuación, las células madre se pueden separar mediante un sofisticado proceso de clasificación de células por fluorescencia.

Las células madre son células que aún no están especializadas y pueden desarrollarse para realizar diferentes funciones. La identificación de células madre esqueléticas permite a los científicos hacer crecer estas células en condiciones definidas para permitir el crecimiento y la formación de tejido óseo y cartilaginoso, por ejemplo, para ayudar a reparar huesos rotos.

Entre los desafíos que plantea nuestra población que envejece se encuentra la necesidad de enfoques novedosos y rentables para la reparación ósea. Con una de cada tres mujeres y uno de cada cinco hombres en riesgo de sufrir fracturas osteoporóticas en todo el mundo, los costos son significativos, y las fracturas óseas por sí solas cuestan a la economía europea 17 mil millones de euros y a la economía de los Estados Unidos 20 mil millones de dólares anuales.

Dentro del Grupo de Investigación Conjunta y Ósea de la Universidad de Southampton, el profesor Richard Oreffo y su equipo han estado buscando terapias basadas en células madre óseas durante más de 15 años para comprender el desarrollo del tejido óseo y generar hueso y cartílago. Durante el mismo período de tiempo, el profesor Antonios Kanaras y sus colegas del Grupo Quantum, Light and Matter han estado diseñando nuevos nanomateriales y estudiando sus aplicaciones en los campos de las ciencias biomédicas y la energía. Este último estudio reúne eficazmente estas disciplinas y es un ejemplo del impacto que puede traer el trabajo colaborativo e interdisciplinario.

Las terapias basadas en células madre esqueléticas ofrecen algunas de las áreas más interesantes y prometedoras para el tratamiento de enfermedades óseas y la medicina regenerativa ósea para una población que envejece. Los estudios actuales han aprovechado secuencias de ADN únicas de objetivos que creemos que enriquecerían las células madre esqueléticas y, utilizando la clasificación de células activadas por fluorescencia (FACS), hemos podido enriquecer las células madre óseas de los pacientes. La identificación de marcadores únicos es el santo grial de la biología de las células madre óseas y, aunque todavía nos queda mucho camino por recorrer; estos estudios ofrecen un cambio radical en nuestra capacidad para apuntar e identificar las células madre óseas humanas y el excitante potencial terapéutico que contienen “.

Richard Oreffo, profesor de ciencia musculoesquelética

El profesor Oreffo agregó: “Es importante destacar que estos estudios muestran las ventajas de la investigación interdisciplinaria para abordar un problema desafiante con biología molecular / celular de vanguardia combinada con tecnologías de plataforma química de nanomateriales”.

El profesor Kanaras dijo: “El diseño adecuado de los materiales es fundamental para su aplicación en sistemas complejos. Personalizando la química de las nanopartículas podemos programar funciones específicas en su diseño.

“En este proyecto de investigación, diseñamos nanopartículas recubiertas con secuencias cortas de ADN, que son capaces de detectar ARNm de HSPA8 y ARNm de Runx2 en células madre esqueléticas y, junto con estrategias avanzadas de activación de FACS, para permitir la selección de las células relevantes de la médula ósea humana. .

“Un aspecto importante del diseño de nanomateriales implica estrategias para regular la densidad de oligonucleótidos en la superficie de las nanopartículas, lo que ayuda a evitar la degradación enzimática del ADN en las células. Los indicadores fluorescentes de los oligonucleótidos nos permiten observar el estado de las nanopartículas en diferentes etapas. del experimento, asegurando la calidad del sensor endocelular “.

Ambos investigadores principales también reconocen que los logros fueron posibles gracias al trabajo de todos los becarios de investigación experimentados y estudiantes de doctorado involucrados en esta investigación, así como a la colaboración con el profesor Tom Brown y el Dr. Afaf E-Sagheer de la Universidad de Oxford, quienes sintetizaron un gran variedad de oligonucleótidos funcionales.

Los científicos están aplicando actualmente la secuenciación de ARN unicelular a la tecnología de plataforma desarrollada con socios en Oxford y el Instituto de Ciencias de la Vida (IfLS) en Southampton para refinar y enriquecer aún más las células madre óseas y evaluar la funcionalidad. El equipo propone luego pasar a la aplicación clínica con estudios preclínicos de formación ósea para generar estudios de prueba de concepto.

El trabajo ha sido posible gracias a una subvención del proyecto BBSRC al profesor Oreffo y al profesor Kanaras.

Fuente:

Referencia de la revista:

Xavier, M., et al. (2021) Enriquecimiento de células madre esqueléticas de médula ósea humana mediante ácidos nucleicos esféricos. ACS Nano. doi.org/10.1021/acsnano.0c10683.

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