Minilaboratoria komórek macierzystych

Terapie komórkami macierzystymi są często reklamowane jako przyszłość inżynierii tkankowej i medycyny regeneracyjnej. Ale jednym z wyzwań w rozwoju takich terapii jest stworzenie środowiska, w którym komórki macierzyste mogą rosnąć. Dodatkową przeszkodą jest zaprojektowanie pojazdu, który dostarczy komórki macierzyste do celu bez wykrycia przez układ odpornościowy organizmu. Teraz naukowcy z Northwestern University zaprojektowali miniaturowe laboratorium w postaci malutkiego, przypominającego żel worka. Z powodzeniem hodowali komórki macierzyste w worku, dostarczając białka i składniki odżywcze do komórek przez błonę worka. Naukowcy twierdzą, że worek może działać jako system dostarczania komórek macierzystych i innych leków, osłaniając je, dopóki nie dotrą do celu. Samuel Stuppa , główny badacz i profesor nauk materiałowych i inżynierii, chemii i medycyny w Northwestern, mówi, że odkrycie może mieć obiecujące zastosowania w terapii komórkowej i medycynie regeneracyjnej.

Minilaboratorium: Ten mały woreczek, wykonany z połączenia roztworów polimerowych i molekularnych, może natychmiast otoczyć komórki macierzyste. Worek może być używany jako miniaturowe laboratorium, w którym mogą rosnąć komórki macierzyste, lub jako nośnik dla różnych leków, chroniąc je przed odpowiedzią immunologiczną organizmu, dopóki worek nie dotrze do celu.

Możesz przeszczepić te worki do wnętrza pacjenta, mówi Stupp. A w worku komórki byłyby chronione, dopóki nie zadomowią się w organie lub tkance. Wtedy worek powinien być w stanie ulegać biodegradacji.

Zespół opracował worek po miesiącach mieszania różnych roztworów molekularnych.

Kiedy mieszaliśmy roztwory, czasami otrzymywaliśmy mętny roztwór lub osad, ale nic, co uważaliśmy za interesujące, mówi Stupp. I pewnego dobrego dnia mój podoktor wszedł do mojego biura z workiem i wiedziałem, że mamy coś dobrego. A potem spędziliśmy ponad rok próbując zrozumieć, co się stało.

Multimedialne

• Zobacz, jak są wykonane i zszyte worki.

Naukowcy opracowali worek z połączenia dwóch cząsteczek: amfofila peptydowego (PA), syntetycznej cząsteczki opracowanej przez laboratorium Stuppa siedem lat temu, oraz kwasu hialuronowego (HA), cząsteczki znajdującej się w stawach i chrząstce. Zespół najpierw wlał roztwór PA do dużej fiolki, a następnie dodał roztwór HA. Niemal natychmiast obie ciecze zaczęły zestalać się w miejscu kontaktu.

Gdy Stupp dokładniej przyjrzał się interakcji, odkrył, że lżejsze cząsteczki PA otaczały cząsteczki HA, uszczelniając je, tworząc pojedynczy woreczek lub woreczek. Co ciekawe, woreczek nadal rósł nawet po jego utworzeniu, rozszerzając się i tworząc grubszą membranę im dłużej pozostawał w roztworze. Naukowcy zatrzymali jego wzrost, po prostu usuwając worek z fiolki za pomocą pęsety.

Ale dlaczego dokładnie te molekuły oddziałują tak silnie? Stupp wyjaśnia, że ​​cząsteczki PA są szczególnie przygotowane do tworzenia stałych struktur. W roztworze płynnym cząsteczki PA posiadają jednolity ładunek dodatni, zasadniczo odpychając się nawzajem i pozostając w postaci płynnej. Jednak gdy tylko wejdzie w kontakt z ujemnie naładowanym roztworem, takim jak HA, cząsteczki PA nie odpychają się tak bardzo i automatycznie zaczynają tworzyć włókna w nanoskali.

To bardzo silna reakcja, mówi Stupp. Cząsteczki te chcą się skrystalizować, a kiedy widzą kwas hialuronowy, tkają tkaninę z włókien w płaszczyźnie kontaktu między płynami.

Co więcej, po utworzeniu się worka tworzy ogromną nierównowagę ładunku elektrycznego, który pompuje każdy dodany HA przez błonę worka. To działanie pompujące powoduje, że więcej cząsteczek HA wchodzi w kontakt z cząsteczkami PA, w wyniku czego, jak stwierdził zespół, worek rósł w roztworze do czterech dni. Stupp mówi, że zespół może dostosować rozmiar i grubość worka, po prostu pozostawiając go w roztworze na różne okresy czasu.

W drugiej rundzie eksperymentów zespół połączył komórki macierzyste z roztworem HA, a następnie przelał mieszaninę do fiolki z cząsteczkami PA. Tym razem cząsteczki PA otoczyły zarówno cząsteczki HA, jak i komórki macierzyste. Naukowcy dodali do roztworu określone białka i odkryli, że przenikają one przez błonę worka pomimo jego grubości. Białka te stymulowały komórki macierzyste do różnicowania się w chrząstkę, skutecznie tworząc miniaturowe laboratorium komórek macierzystych wewnątrz worka.

Stupp mówi, że takie worki mogą zapewniać bezpieczne, zamknięte środowisko do wzrostu komórek macierzystych przed przeszczepieniem ich do organizmu. Dodatkowo, podczas gdy białka były w stanie przejść przez błonę worka, Stupp twierdzi, że komórki odpornościowe byłyby zbyt duże, aby je przeniknąć, zapobiegając zniszczeniu worka i jego zawartości, zanim będą mogły działać na swój cel.

Stupp mówi, że jako nośnik dostaw, woreczki mogą być wystarczająco małe, aby przemieszczać się w krwiobiegu, lub wystarczająco mocne, aby można je było przyszyć do docelowej tkanki lub organu.

W przyszłym roku zespół planuje hodować inne komórki w tych workach i badać wzrost guzów, na przykład w reakcji na określone leki lub cząsteczki.

Możesz także mieć kolonie różnych komórek w różnych workach razem - malinę worków - i możesz je wystawiać na wiele sygnałów, mówi Stupp. Co może być cenne w biologii komórki, badając sygnały między komórkami w trójwymiarowym środowisku.

James Baker , dyrektor Michigan Nanotechnology Institute for Medicine and Biological Sciences, mówi, że odkrycie zespołu może mieć ważne implikacje dla inżynierii tkankowej. Główną zaletą jest możliwość potencjalnego organizowania komórek w unikalne struktury, mówi. Daje możliwość rozwijania wyspecjalizowanych struktur tkankowych… bardzo imponujące osiągnięcie.

ukryć