Nanopartículas e aplicações de células estaminais

Aplicações que combinam Nanopartículas com células estaminais

A nanotecnologia e os tratamentos biomédicos utilizando células-tronco (como a clonagem terapêutica) estão entre as mais novas veias da pesquisa biotecnológica. Ainda mais recentemente, os cientistas começaram a encontrar maneiras de se casar com os dois. Desde 2003, exemplos de nanotecnologia e células-tronco combinadas estão acumulando em revistas científicas. Embora as aplicações potenciais para a nanotecnologia na pesquisa com células-tronco sejam incontáveis, três categorias principais podem ser atribuídas ao seu uso:

• rastreamento ou rotulagem
• entrega
• andaimes / plataformas

Certas nanopartículas foram utilizadas desde a década de 1990, para aplicações como entrega de cosméticos / cuidados com a pele, entrega de medicamentos e rotulagem. A experimentação com diferentes tipos de nanopartículas, como pontos quânticos, nanotubos de carbono e nanopartículas magnéticas, em células somáticas ou microorganismos, forneceu o plano de fundo a partir do qual a pesquisa com células-tronco foi lançada. É um fato pouco conhecido que a primeira patente para a preparação de nanofibras foi registrada em 1934. Essas fibras eventualmente se tornaram a base de andaimes para cultura de células-tronco e transplante - mais de 70 anos depois.

Visualizando células estaminais usando partículas de MRI e SPIO

A pesquisa sobre as aplicações de nanopartículas para ressonância magnética (MRI) foi impulsionada pela necessidade de rastrear a terapia com células-tronco . Uma escolha comum para esta aplicação são as nanopartículas de óxido de ferro superparamagnéticas (SPIO), que melhoram o contraste das imagens de MRI.

Alguns óxidos de ferro já foram aprovados pela FDA. Os diferentes tipos de partículas são revestidos com diferentes polímeros no exterior, geralmente um carboidrato. A rotulagem de MRI pode ser feita anexando as nanopartículas à superfície da célula estaminal ou causando a absorção da partícula pela célula-tronco através da endocitose ou fagocitose.

As nanopartículas ajudaram a agregar ao nosso conhecimento de como as células-tronco migram no sistema nervoso.

Rotulagem usando Quantum Dots

Pontos quânticos (Qdots) são cristais de nano escala que emitem luz e são compostos de átomos dos grupos II-VI da tabela periódica, incorporando frequentemente o cádmio. Eles são melhores para visualizar células do que certas outras técnicas, como corantes, devido à sua fotoestabilidade e longevidade. Isso também permite seu uso para estudar a dinâmica celular, enquanto a diferenciação de células estaminais está em andamento.

Qdots têm um histórico mais curto para uso com células-tronco do que SPIO / MRI e só foram utilizados in vitro até agora, devido ao requisito de equipamentos especiais para rastreá-los em animais inteiros.

Envio de nucleótidos para controle genético

Os controles genéticos, usando DNA ou siRNA, estão emergindo como uma ferramenta útil para controle de funções celulares em células-tronco, particularmente para direcionar sua diferenciação.As nanopartículas podem ser usadas para substituir os vetores virais tradicionalmente utilizados, como os retrovírus, que foram implicados em causar complicações em organismos inteiros, como induzir mutações que levam ao câncer. As nanopartículas oferecem um vetor menos dispendioso, mais facilmente produtivo para a transfecção de células-tronco, com menor risco de imunogenicidade, mutagenicidade ou toxicidade.

Uma abordagem popular é usar polímeros catiônicos que interagem com moléculas de DNA e RNA. Há também espaço para o desenvolvimento de polímeros inteligentes, com recursos como envio direcionado ou lançamento programado . Os nanotubos de carbono com diferentes grupos funcionais também foram testados quanto ao fornecimento de fármaco e ácido nucleico em células de mamíferos, mas seu uso em células estaminais não foi investigado em grande medida.

Otimizando o ambiente da célula-tronco

Uma área significativa de estudo na pesquisa com células-tronco é a do ambiente extracelular e como as condições externas à célula enviam sinais para controle de diferenciação, migração, adesão e outras atividades. A matriz extracelular (ECM) , consiste em moléculas segregadas por células tais como colágeno, elastina e proteoglicano. As propriedades dessas excreções e química do meio ambiente que criam, fornecem orientação para atividades de células-tronco.

As nanopartículas foram usadas para engenharia de diferentes topografias padronizadas que imitam o ECM, para estudar seus efeitos nas células-tronco.

Uma grande complicação encontrada com terapias de células estaminais tem sido a falha de células injetadas para ingerir para atingir os tecidos. Nanoescala andaimes melhoram a sobrevivência celular, auxiliando o processo de enxertia. As nanofibras feitas a partir de polímeros sintéticos, tais como poli (ácido láctico) (PLA), ou polímeros naturais de colágeno, proteína de seda ou quitosana, fornecem canais para o alinhamento das células do caule e progenitoras. O objetivo final é determinar qual a composição do andaime melhor promove a adesão e proliferação apropriadas das células-tronco e use esta técnica para o transplante de células-tronco. No entanto, parece que a morfologia das células cultivadas em nanofibras pode diferir de células cultivadas em outros meios e poucos estudos in vivo foram relatados.

Toxicidade de nanopartículas para células-tronco

Tal como acontece com todas as descobertas biomédicas, o uso de nanopartículas para estas aplicações in vivo (em humanos) requer a aprovação da FDA. Com a descoberta do potencial das nanopartículas para aplicações de células estaminais, surgiu uma crescente demanda por ensaios clínicos para testar as novas descobertas e aumentar o interesse pela toxicidade das nanopartículas.

A toxicidade de nanopartículas SPIO foi estudada em grande medida. Na maioria das vezes, eles não pareceram tóxicos, mas um estudo sugeriu um efeito na diferenciação de células estaminais. No entanto, ainda existe alguma incerteza sobre se a toxicidade foi causada pelas nanopartículas ou pelo agente / composto de transfecção.

Os dados de toxicidade para Qdots são escassos, mas quais dados existem, todos não concordam.Alguns estudos não relatam efeitos adversos na morfologia, proliferação e diferenciação das células estaminais, enquanto outros relatam anormalidades. As diferenças nos resultados dos testes podem ser atribuídas às diferentes composições das nanopartículas ou células-alvo, portanto, é necessário investigar muito mais para estabelecer o que é seguro e o que não é, e para quais tipos de células. O que se sabe é que o cádmio oxidado (Cd2 +) pode ser tóxico devido ao seu efeito nas mitocôndrias das células. Isto é ainda mais complicado pela liberação de espécies reativas de oxigênio durante a degradação Qdot.

Os nanotubos de carbono parecem ser geralmente genotóxicos, dependendo da forma, tamanho, concentração e composição da superfície, e podem contribuir para a geração de espécies reativas de oxigênio nas células.

As nanopartículas são ferramentas promissoras para novas técnicas biomédicas, devido ao seu pequeno tamanho e capacidade de penetrar nas células. À medida que os avanços da pesquisa continuam a agregar ao nosso conhecimento dos fatores que controlam as funções das células estaminais, é provável que novas aplicações para nanopartículas, em conjunto com células-tronco, sejam descobertas. Embora a evidência sugira que algumas aplicações se tornem mais úteis ou mais seguras do que outras, existe um enorme potencial para o uso de nanopartículas para melhorar e melhorar as tecnologias de células-tronco.

Fonte:

Ferreira, L. et al. 2008. Novas oportunidades: o uso de nanotecnologias para manipular e rastrear células-tronco. Célula celular célula 3: 136-146. doi: 10. 1016 / j. haste. 2008. 07. 020.