Mänskliga stamceller har visat potential inom medicin eftersom de kan omvandlas till olika specialiserade celltyper som ben- och broskceller. Den nuvarande metoden för att erhålla sådana specialiserade celler är att utsätta stamceller för specialiserade instruktiva proteinmolekyler kända som tillväxtfaktorer. Dock, användning av tillväxtfaktorer i människokroppen kan generera skadliga effekter inklusive oönskad vävnadstillväxt, såsom en tumör.

Forskare vid Texas A&M University har utforskat en ny klass av lernanopartiklar som kan styra stamceller att bli ben- eller broskceller.

Dr Akhilesh Gaharwar, en biträdande professor vid institutionen för biomedicinsk teknik, och hans elever har visat att en specifik typ av tvådimensionella (2-D) nanopartiklar, även känd som nanosilikater, kan växa ben- och broskvävnad från stamceller i frånvaro av tillväxtfaktorer. Dessa nanopartiklar liknar linfrö till sin form, men 10 tusen gånger mindre i storlek. Deras arbete, "Vidspridda förändringar i transkriptomprofilen hos mänskliga mesenkymala stamceller inducerade av tvådimensionella nanosilikater, " har publicerats i Proceedings of the National Academy of Sciences Denna vecka.

Tvådimensionella nanomaterial har vunnit ökande popularitet inom en mängd olika områden, som energi, optik och regenerativ teknik, på grund av deras extremt små storlek och unika form. Dessa nanopartiklar består av välorganiserade atomlager gjorda av mineraler. Mineralerna är rikligt närvarande i människokroppen och hjälper till med vissa vitala funktioner.

För att förstå hur dessa nanopartiklar interagerar med stamceller, vi använde en nästa generations sekvenseringsteknik som kallas RNA-seq, " sa Irtisha Singh, en beräkningsbiolog från Weill Cornell Medicine vid Cornell University och motsvarande författare. "RNA-seq tar en ögonblicksbild av cellens genaktivitet vid varje givet ögonblick. Detta liknar att ta ett högupplöst foto under Super Bowl och identifiera reaktionen från varje fan under landningsögonblicket."

RNA-seq använder nästa generations sekvensering (NGS) för att avslöja närvaron och kvantiteten av RNA i ett biologiskt prov vid ett givet ögonblick. Till exempel, cell-nanopartikel-interaktioner kan resultera i betydande förändringar i cellulärt beteende som kan observeras genom att använda denna teknik.

"Denna teknik är mycket känslig för att undersöka interaktionen mellan en mängd olika nanomaterial med celler, "sa Jake Carrow, en doktorand i Gaharwar's lab och medförfattare till studien. "Med denna kombination av nanoteknik och beräkningsbiologi, vi kan bättre förstå hur ett material kemi, form och storlek kan bidra till cellfunktioner."

Från denna studie, nanosilikater visade några mycket intressanta förmågor när de applicerades på vuxna mänskliga stamceller. Dessa celler presenterade signaler som vanligtvis observerades under regenerering av ben och brosk. Detta indikerar en stor potential för dessa nanopartiklar som en möjlig terapi mot artros bland andra ortopediska skador. Denna cellulära respons tros härröra från den unika fysiska och kemiska sammansättningen av nanopartiklarna. Denna premiss av mineralbaserade partiklar som påverkar cellbeteende har öppnat dörrarna för utvecklingen av nya klasser av terapier.

"Förmågan att anpassa en terapi till en specifik vävnad, helt enkelt genom att ändra mineralinnehållet i nanopartikeln, presenterar en stor potential inom området regenerativ ingenjörskonst, "sa Lauren Cross, också medförfattare på publikationen. "Vi tror att det här nya området "mineralomics" kan ge ett livskraftigt alternativ jämfört med de nuvarande behandlingarna som finns idag."