DNA dostarczane do jądra komórki macierzystej — artystyczna interpretacja badania prowadzonego przez dr Gang Ruana i wybrana jako dodatkowa okładka przez czasopismo Nano Letters. Źródło: American Chemical Society (Nano Letters)

Niedawne badanie wprowadziło nową metodę dostarczania cząstek do komórek macierzystych, które są bardzo trudne do penetracji. Odkrycie ułatwi kierowanie i usprawnianie procesów związanych z medycyną regeneracyjną.

Medycyna regeneracyjna wykorzystuje fakt, że komórki macierzyste naszego organizmu mogą zmieniać się w wiele innych typów komórek, które są niezbędne do regeneracji tkanek i narządów, takich jak serce czy komórki nerwowe.

Każdy typ komórek ma wyspecjalizowane właściwości i funkcje, więc wykorzystanie potencjału rozwoju komórek macierzystych oznacza, że ​​medycyna regeneracyjna oferuje jedne z najbardziej obiecujących metod leczenia wielu chorób.

Aby kontrolować typ komórki, w którą zamieniają się komórki macierzyste, naukowcy muszą przeprogramować geny komórek poprzez wprowadzenie informacji genetycznej do jądra komórki macierzystej, podobnie jak operator dostosowywałby tory kolejowe do zmiany kierunku pociągu.

Jednak komórki macierzyste mają solidną ochronę, aby powstrzymać wszystko przed dostaniem się do środka, podobnie jak nasza skóra, więc manipulowanie różnicowaniem komórek macierzystych było problematyczne.

Naukowcy pracowali nad przezwyciężeniem tego problemu za pomocą komórek macierzystych szczura i stworzyli sposób na ominięcie bariery ochronnej komórek.

Dr Gang Ruan z Xi’an Jiaotong-Liverpool University (XJTLU) w Chinach wraz z autorem korespondującym mówi: „Nasza nowa metoda oznacza, że ​​możemy szybciej i wydajniej dostarczać informacje genetyczne do komórek macierzystych oraz kontrolować rodzaj komórek, które stać się.”

Dr Xiaowei Wen, również z XJTLU i korespondent, dodaje: „Możliwość kontrolowania różnicowania komórek za pomocą tej nowej metody oznacza, że ​​możemy poprawić skuteczność terapii komórkami macierzystymi, ponieważ możemy lepiej kontrolować, w co przekształcają się komórki. Oznacza to, że mniej komórek zostanie zmarnowanych i ogólnie będziemy potrzebować mniej komórek, aby pomóc w regeneracji lub naprawie uszkodzonych tkanek i narządów.

„To z kolei obniża koszty i poprawia jakość życia pacjenta, ponieważ można wykorzystywać komórki macierzyste, a nie narządy dawcy, których zasoby są ograniczone”.

Rozwiązania rusztowań

Dr Wen wyjaśnia, dlaczego potrzebna jest nowa technologia, aby wykorzystać wyjątkowe właściwości komórek macierzystych.

„Wraz z wiekiem liczba komórek macierzystych w naszym organizmie dramatycznie spada. Aby więc wykorzystać ich potencjał do regeneracji uszkodzonych komórek i narządów, musimy je wszczepić do organizmu.

„Niestety, wprowadzone komórki macierzyste zwykle umierają w ciągu około tygodnia od momentu, gdy znajdą się w organizmie, ale różnicowanie się w inne typy komórek może zająć około czterech tygodni.

„Tak więc w naszym laboratorium hodujemy komórki macierzyste poza organizmem. Następnie, korzystając z naszej nowej metody, możemy wprowadzić określone informacje genetyczne do komórek za pomocą nanocząstek, aby spowodować ich zmianę w określony typ komórek.

„Kiedy komórki zróżnicują się w typ komórek docelowych, umieszczamy je w obszarze ciała, w którym znajduje się uszkodzona tkanka, aby mogły pomóc w jej odbudowie”.

W poprzednim badaniu zespół zidentyfikował wąskie gardło w procesie dostarczania nanocząsteczek do komórek macierzystych. Wykazali, że nanocząsteczki zostały uwięzione w przypominających pęcherzyki pęcherzykach, które uniemożliwiły im dostanie się do komórki macierzystej, ale nie było jasne, dlaczego.

Przełamane bariery

Aby zrozumieć, jak przezwyciężyć trudności stwarzane przez barierę komórek macierzystych, zespół naukowców zbadał sposoby poprawy ruchu nanocząstek przez błony komórkowe, które mogą przenosić informacje genetyczne, które kierowałyby transformacją komórki macierzystej do nowego typu komórek .

„Wypróbowaliśmy wiele metod, które zadziałały w innych typach komórek i stwierdziliśmy, że większość z nich zawiodła, nawet te, z którymi wiązaliśmy duże nadzieje” – mówi dr Ruan.

„W końcu odkryliśmy, że powlekanie nanocząstek rodzajem polimeru pomogło im dostać się do komórek macierzystych.
„Powlekane nanocząstki unikały uwięzienia w pęcherzykach, w przeciwieństwie do niepowlekanych. W rzeczywistości wydawało się, że całkowicie omijają pęcherzyki i wchodzą do komórki bardziej bezpośrednio.

„Właściwie nie była to metoda, której spodziewaliśmy się, że odniesie sukces”.

Nie jest jeszcze jasne, dlaczego powłoka działa, ale odkrycie pomoże usprawnić dostarczanie informacji genetycznej do komórek macierzystych, dzięki czemu łatwiej będzie kontrolować, jakimi komórkami się staną.

Zespół zdaje sobie jednak sprawę, że jeszcze długa droga przed klinicznym zastosowaniem tej metody.

Dr Ruan mówi: „Musimy nie tylko dalej optymalizować dostarczanie do komórek, ale także precyzyjnie kontrolować, kiedy to się dzieje”.

„Ale to duży krok we właściwym kierunku”.

Odkrywanie przez zniszczenie

Chociaż odkrycie, że powlekane nanocząsteczki łatwiej przenikały do ​​komórek macierzystych, pomogło rozwiązać problem dostarczania, fundamentalne pytanie, dlaczego komórki macierzyste są tak trudne do wniknięcia, pozostaje otwarte.

Dlatego zespół przyjrzał się barierze otaczającej komórki macierzyste, błonie komórkowej, aby zobaczyć, jakie cechy nadają im tak wyjątkowe właściwości.

Pobrali próbki komórek macierzystych od sześciu szczurów i użyli urządzenia zwanego sonikatorem, takiego jak mini wiertarka pneumatyczna, do rozbicia komórek, a następnie zmierzyli wielkość uszkodzeń.

Odkryli, że błony komórek macierzystych były trudniejsze do złamania w porównaniu z innymi typami komórek, do których łatwiej jest przenieść informację genetyczną.

„Pod wpływem ultradźwięków błony komórek macierzystych wydawały się bardziej wytrzymałe niż inne typy komórek. Wstępne wyniki badań pokazują również, że komórki macierzyste zawierają więcej cholesterolu w swoich błonach komórkowych” – mówi dr Ruan.

„Ten dodatkowy cholesterol sprawia, że ​​błona jest sztywniejsza, podobnie jak problemy powodowane przez cholesterol w naszych naczyniach krwionośnych. Być może dlatego nanocząsteczkom tak trudno jest przejść przez błonę komórek macierzystych, chociaż potrzeba znacznie więcej badań, aby to potwierdzić”.

Chociaż wyniki są wstępne, zrozumienie właściwości komórek macierzystych pomoże w dalszym rozwoju dostarczania komórek macierzystych za pomocą powlekanych nanocząstek i optymalizacji przyszłych terapii regeneracyjnych.

Mezenchymalne komórki macierzyste pochodzące ze szpiku kostnego (BMSC) były mniej uszkodzone po sonikacji niż inne typy komórek (u góry), mierzone za pomocą cytometrii przepływowej. BMSC miały również więcej cholesterolu w błonach komórkowych (na dole). Być może dlatego penetracja komórek macierzystych jest trudniejsza

Badanie „Rozwój technologii opartej na mechanizmach do rozwiązania problemu dostarczania wewnątrzkomórkowego komórek trudnych do transfekcji” można przeczytać tutaj.

Katarzyny Diamond

Pod redakcją Patricii Pieterse