Forskare vid Johns Hopkins har utarbetat ett sätt att upptäcka om celler som tidigare transplanterats till ett levande djur är levande eller döda, en innovation som de säger sannolikt kommer att påskynda utvecklingen av cellersättningsterapier för tillstånd som leversvikt och typ 1-diabetes. Som rapporterades i marsnumret av Naturmaterial , studien använde nanoskala pH-sensorer och magnetisk resonanstomografi (MRI) maskiner för att avgöra om leverceller injicerade i möss överlevde över tid.

"Den här tekniken har potential att förvandla människokroppen till en mindre svart låda och berätta för oss om transplanterade celler fortfarande lever, " säger Mike McMahon, Ph.D., docent i radiologi vid Johns Hopkins University School of Medicine som övervakade studien. "Denna information kommer att vara ovärderlig vid finjustering av terapier."

Framsteg inom regenerativ medicin beror på tillförlitliga metoder för att ersätta skadade eller saknade celler, som att injicera bukspottkörtelceller hos personer med diabetes vars egna celler inte producerar tillräckligt med insulin. För att skydda de transplanterade cellerna från immunsystemet, samtidigt som det tillåter fritt flöde av näringsämnen och insulin mellan cellerna och kroppen, de kan inneslutas i squishy hydrogelmembran före transplantation. Men, förklarar McMahon, "när du väl har satt in cellerna, du har verkligen ingen aning om hur länge de överlever. "Sådana transplanterade celler slutar slutligen fungera hos de flesta patienter, som måste återuppta att ta insulin. Vid det tillfället, läkare kan bara anta att celler har dött, men de vet inte när eller varför, säger McMahon.

Med det problemet i åtanke, McMahons grupp, som specialiserat sig på metoder för att upptäcka kemiska förändringar, samarbetade med forskargruppen som leddes av Jeff Bulte, Ph.D., chefen för cellulär avbildning vid Hopkins Institute for Cell Engineering. Bultes grupp tar fram sätt att spåra implanterade celler genom kroppen med hjälp av MRT. Leds av forskaren Kannie Chan, Ph.D., teamet skapade en extremt liten, eller nanoskala, sensor fylld med L-arginin, ett näringstillskott som reagerar kemiskt på små förändringar i surhetsgrad (pH) orsakade av närliggande cellers död. Förändringar i surheten skulle i sin tur sätta igång förändringar i sensormolekyler inbäddade i det tunna lagret av fett som utgör utsidan av nanopartikeln, avger en signal som kunde detekteras med MRT.

För att testa hur dessa nanosensorer skulle fungera i en levande kropp, teamet laddade dem i hydrogelsfärer tillsammans med leverceller – en potentiell terapi för patienter med leversvikt – och en annan sensor som bara avger självlysande ljus medan cellerna är vid liv. Sfärerna injicerades precis under huden på möss. Som bekräftas av ljussignalen, MRT detekterade exakt var cellerna fanns i kroppen och hur stor andel som fortfarande var vid liv. (Sådana ljusindikatorer kan inte användas för att spåra celler hos människor eftersom våra kroppar är för stora för att synliga signaler ska kunna ta sig igenom, men dessa indikatorer gjorde det möjligt för teamet att kontrollera om MRI-nanosensorerna fungerade korrekt i mössen.)

"Det var spännande att se att det här fungerar så bra i en levande kropp, " säger Chan. Teamet hoppas att eftersom komponenterna i systemet - hydrogelmembran, fettmolekyler, och L-arginin - är säkra för människor, att anpassa sin upptäckt för klinisk användning kommer att visa sig relativt enkelt. "Detta borde ta mycket av gissningarna från celltransplantation genom att låta läkare se om cellerna överlever, varom icke, när de dör, " säger Chan. "På så sätt kan de kanske ta reda på vad som dödar cellerna, och hur man förhindrar det."

Potentiella tillämpningar av sensorerna är inte begränsade till celler inuti hydrogelkapslar, Bulte anteckningar. "Dessa nanopartiklar skulle fungera utanför kapslar, och de kunde paras ihop med många olika sorters celler. Till exempel, de kan användas för att se om tumörceller dör som svar på kemoterapi, " han säger.