Menselijke stamcellen hebben aangetoond potentieel te hebben in de geneeskunde, omdat ze kunnen transformeren in verschillende gespecialiseerde celtypen, zoals bot- en kraakbeencellen. De huidige benadering om dergelijke gespecialiseerde cellen te verkrijgen, is om stamcellen te onderwerpen aan gespecialiseerde instructieve eiwitmoleculen die bekend staan ​​als groeifactoren. Echter, gebruik van groeifactoren in het menselijk lichaam kan schadelijke effecten veroorzaken, waaronder ongewenste weefselgroei, zoals een tumor.

Onderzoekers van de Texas A&M University hebben een nieuwe klasse van klei-nanodeeltjes onderzocht die stamcellen kunnen aansturen om bot- of kraakbeencellen te worden.

Dr. Akhilesh Gaharwar, een assistent-professor bij de afdeling Biomedische Technologie, en zijn studenten hebben aangetoond dat een specifiek type tweedimensionale (2-D) nanodeeltjes, ook bekend als nanosilicaten, kan bot- en kraakbeenweefsel uit stamcellen laten groeien bij afwezigheid van groeifactoren. Deze nanodeeltjes lijken qua vorm op lijnzaad, maar 10 duizend keer kleiner in omvang. Hun werk, "Wijdverbreide veranderingen in het transcriptoomprofiel van menselijke mesenchymale stamcellen geïnduceerd door tweedimensionale nanosilicaten, " is gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences deze week.

Tweedimensionale nanomaterialen zijn steeds populairder geworden op verschillende gebieden, zoals energie, optica en regeneratieve techniek, vanwege hun extreem kleine formaat en unieke vorm. Deze nanodeeltjes bestaan ​​uit sterk georganiseerde atomaire lagen gemaakt van mineralen. De mineralen zijn overvloedig aanwezig in het menselijk lichaam en helpen bij sommige vitale functies.

Om te begrijpen hoe deze nanodeeltjes interageren met stamcellen, we gebruikten een sequencing-techniek van de volgende generatie, RNA-seq genaamd, " zei Irtisha Singh, een computationeel bioloog van Weill Cornell Medicine aan de Cornell University en de corresponderende auteur. "RNA-seq maakt op elk willekeurig moment een momentopname van de genactiviteit van de cel. Dit is vergelijkbaar met het maken van een foto met hoge resolutie tijdens de Super Bowl en het identificeren van de reactie van elke fan tijdens de touchdown."

RNA-seq maakt gebruik van next-generation sequencing (NGS) om de aanwezigheid en hoeveelheid RNA in een biologisch monster op een bepaald moment te onthullen. Bijvoorbeeld, cel-nanodeeltjes interacties kunnen resulteren in significante verandering in cellulair gedrag dat kan worden waargenomen met behulp van deze techniek.

"Deze techniek is erg gevoelig om de interactie van een grote verscheidenheid aan nanomaterialen met cellen te onderzoeken, " zei Jake Kragge, een promovendus in het laboratorium van Gaharwar en co-eerste auteur van de studie. "Met deze combinatie van nanotechnologie en computationele biologie, we kunnen beter begrijpen hoe de chemie van een materiaal, vorm en grootte kunnen bijdragen aan celfuncties."

Uit deze studie, nanosilicaten toonden enkele zeer interessante mogelijkheden wanneer toegepast op volwassen menselijke stamcellen. Deze cellen vertoonden signalering die typisch wordt waargenomen tijdens regeneratie van bot en kraakbeen. Dit wijst op een groot potentieel voor deze nanodeeltjes als mogelijke therapie tegen artrose en andere orthopedische letsels. Aangenomen wordt dat deze cellulaire respons afkomstig is van de unieke fysische en chemische samenstelling van de nanodeeltjes. Dit uitgangspunt van op mineralen gebaseerde deeltjes die het celgedrag beïnvloeden, heeft de deuren geopend voor de ontwikkeling van nieuwe klasse therapieën.

"Het vermogen om een ​​therapie aan te passen aan een specifiek weefsel, simpelweg door het mineraalgehalte in het nanodeeltje te veranderen, biedt een groot potentieel op het gebied van regeneratieve engineering, " zei Lauren Cross, tevens co-eerste auteur van de publicatie. "Wij geloven dat dit nieuwe veld van 'mineralomics' een levensvatbaar alternatief kan bieden in vergelijking met de huidige behandelingen die vandaag bestaan."