Onderzoekers van de Universiteit van Southampton hebben een nieuwe manier ontwikkeld om nanomaterialen te gebruiken om skeletstamcellen te identificeren en te verrijken - een ontdekking die uiteindelijk zou kunnen leiden tot nieuwe behandelingen voor grote botbreuken en het herstel van verloren of beschadigd bot.

Samenwerken, een team van natuurkundigen, scheikundigen en experts op het gebied van weefseltechnologie gebruikten speciaal ontworpen gouden nanodeeltjes om specifieke menselijke botstamcellen te 'zoeken', waardoor een fluorescerende gloed ontstond om hun aanwezigheid tussen andere soorten cellen te onthullen en ze te isoleren of te 'verrijken'.

De onderzoekers concludeerden dat hun nieuwe techniek eenvoudiger en sneller is dan andere methoden en tot 50-500 keer effectiever in het verrijken van stamcellen.

De studie, onder leiding van hoogleraar Musculoskeletale Wetenschappen, Richard Oreffo en professor Antonios Kanaras van de Quantum, Licht en Materie Groep in de School of Physics and Astronomy, is gepubliceerd in ACS Nano -een internationaal erkend multidisciplinair tijdschrift.

Bij laboratoriumtesten, de onderzoekers gebruikten gouden nanodeeltjes - kleine bolvormige deeltjes bestaande uit duizenden goudatomen - bedekt met oligonucleotiden (strengen DNA), om de specifieke messenger RNA (mRNA) handtekeningen van skeletstamcellen in beenmerg optisch te detecteren. Wanneer detectie plaatsvindt, de nanodeeltjes geven een fluorescerende kleurstof af, de stamcellen te onderscheiden van andere omringende cellen, onder microscopische observatie. De stamcellen kunnen vervolgens worden gescheiden met behulp van een geavanceerd fluorescentiecelsorteerproces.

Stamcellen zijn cellen die nog niet gespecialiseerd zijn en zich kunnen ontwikkelen om verschillende functies uit te voeren. Door skeletstamcellen te identificeren, kunnen wetenschappers deze cellen in gedefinieerde omstandigheden laten groeien om de groei en vorming van bot- en kraakbeenweefsel mogelijk te maken, bijvoorbeeld, om gebroken botten te helpen herstellen.

Een van de uitdagingen van onze vergrijzende bevolking is de behoefte aan nieuwe en kosteneffectieve benaderingen voor botherstel. Met een op de drie vrouwen en een op de vijf mannen die wereldwijd risico lopen op osteoporotische fracturen, de kosten zijn aanzienlijk, met alleen al botbreuken die de Europese economie 17 miljard euro kosten en de Amerikaanse economie 20 miljard dollar per jaar.

Binnen de Bot- en Joint Research Group van de Universiteit van Southampton, Professor Richard Oreffo en zijn team kijken al meer dan 15 jaar naar op botstamcellen gebaseerde therapieën om de ontwikkeling van botweefsel te begrijpen en om bot en kraakbeen te genereren. In dezelfde periode, Professor Antonios Kanaras en zijn collega's in de Quantum, Light and Matter Group heeft nieuwe nanomaterialen ontworpen en hun toepassingen op het gebied van biomedische wetenschappen en energie bestudeerd. Deze nieuwste studie brengt deze disciplines effectief samen en is een voorbeeld van de impact van samenwerking, interdisciplinair werken kan brengen.

Professor Oreffo zei:"Op skeletstamcellen gebaseerde therapieën bieden enkele van de meest opwindende en veelbelovende gebieden voor de behandeling van botziekte en botregeneratieve geneeskunde voor een vergrijzende bevolking. De huidige studies hebben gebruik gemaakt van unieke DNA-sequenties van doelen waarvan we denken dat ze de skeletstamcel zouden verrijken en, met behulp van Fluorescence Activated Cell Sorting (FACS) hebben we botstamcellen van patiënten kunnen verrijken. Identificatie van unieke markers is de heilige graal in botstamcelbiologie en, terwijl we nog een lange weg te gaan hebben; deze studies bieden een stapsgewijze verandering in ons vermogen om menselijke botstamcellen te targeten en te identificeren en het opwindende therapeutische potentieel daarin."

Professor Oreffo voegde toe:"Belangrijk, deze studies tonen de voordelen aan van interdisciplinair onderzoek om een ​​uitdagend probleem aan te pakken met de modernste moleculaire/celbiologie in combinatie met de chemieplatformtechnologieën van nanomaterialen."

Professor Kanaras zei:"Het juiste ontwerp van materialen is essentieel voor hun toepassing in complexe systemen. Door de chemie van nanodeeltjes aan te passen, kunnen we specifieke functies in hun ontwerp programmeren.

"In dit onderzoeksproject we hebben nanodeeltjes ontworpen die zijn gecoat met korte DNA-sequenties, die in staat zijn om HSPA8-mRNA en Runx2-mRNA in skeletstamcellen te detecteren en samen met geavanceerde FACS-poortstrategieën, om het assortiment van de relevante cellen uit menselijk beenmerg mogelijk te maken.

"Een belangrijk aspect van het ontwerp van nanomaterialen omvat strategieën om de dichtheid van oligonucleotiden op het oppervlak van de nanodeeltjes te reguleren, die helpen om enzymatische DNA-afbraak in cellen te voorkomen. Fluorescerende reporters op de oligonucleotiden stellen ons in staat om de status van de nanodeeltjes in verschillende stadia van het experiment te observeren, het waarborgen van de kwaliteit van de endocellulaire sensor."

Beide hoofdonderzoekers erkennen ook dat de prestaties mogelijk waren dankzij het werk van alle ervaren onderzoeksfellows en Ph.D. studenten betrokken bij dit onderzoek en samenwerking met professor Tom Brown en Dr. Afaf E-Sagheer van de Universiteit van Oxford, die een grote verscheidenheid aan functionele oligonucleotiden synthetiseerde.

De wetenschappers passen momenteel single cell RNA-sequencing toe op de platformtechnologie die is ontwikkeld met partners in Oxford en het Institute for Life Sciences (IfLS) in Southampton om botstamcellen verder te verfijnen en te verrijken en de functionaliteit te beoordelen. Het team stelt voor om vervolgens over te gaan op klinische toepassing met preklinische botvormingsstudies om proof-of-conceptstudies te genereren.