Inom regenerativ medicin, en idealisk behandling för patienter vars muskler är skadade på grund av syrebrist skulle vara att stärka dem med en injektion av sina egna stamceller.

I en ny studie publicerad i tidskriften ACS Nano , forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign visade att "nanostimulatorer" - nanopartiklar som fröats med en molekyl som kroppen producerar naturligt för att få stamceller att läka sår - kan förstärka stamcellers regenerativa krafter i en riktad lem hos möss.

"Vi ville utnyttja stamcellernas naturliga funktioner och de stimulerande faktorerna för att ta itu med muskelischemi lokalt, "sade studieledaren Hyunjoon Kong, en Robert W. Schafer professor i kemi- och biomolekylär teknik vid Illinois.

Muskelischemi, eller skada på muskler från begränsad syre- eller blodtillförsel, kan bero på flera orsaker, såsom skada på en lem eller perifer artärsjukdom. Stamceller som härrör från en patients egen fettvävnad är kända för att producera faktorer som får nya blodkärl att växa in i den skadade muskeln, återställa syre och näringsämnen, och för att modulera inflammation i de skadade vävnaderna. Dock, in vivo -experiment har visat begränsade fördelar, eftersom stamcellernas aktivitet verkar minska efter injektion i muskeln.

En naturligt producerad molekyl i kroppen som kallas tumörnekrosfaktor alfa kan sporra stamcellerna att utsöndra fler av de önskade faktorerna. Andra studier har försökt inkubera cellerna med TNF-alfa före injektion, men effekterna avtar snabbt, sa Kong.

Illinois-teamet bestämde sig för att försöka binda TNF-alfa direkt till stamcellerna, skapa nanostimulatorer – nanopartiklar spetsade med TNF-alfa. Nanopartiklarna binder till en receptor på ytan av stamcellerna, tillhandahåller lokaliserad, riktad och utökad leverans av TNF-alfa.

"Den primära fördelen med stamceller mot vävnadsregenerering är inte nödvändigtvis förmågan för cellerna att ersätta förlorad vävnad, men för att frigöra fördelaktiga tillväxtfaktorer och cytokiner som hjälper till i processen, " sa studiens medförfattare Marni Boppart, professor i kinesiologi och samhällshälsa. "Nanostimulatorerna tillåter celler att frigöra de fördelaktiga faktorerna längre än de annars skulle göra. Detta ger en betydande fördel, särskilt när celler transplanteras till skadade, sjuka eller åldrade vävnader."

Forskarna testade deras tillvägagångssätt på möss med kirurgiskt inducerad ischemi i ett av deras bakben. De isolerade stamcellerna från fettvävnad, blandade dem med nanostimulatorerna och injicerade dem lokalt i mössens drabbade ben.

Forskarna såg ökat blodflöde och syrehalt i de ischemiska benen. De såg också förbättringar i rörlighet – de behandlade mössen kunde gå längre sträckor och deras ben var starkare.

"Vi föreslår att denna metod är bättre än metoder som kräver kemisk förkonditionering, som kan påverka stamcellernas livskraft, tar 24 timmar eller mer av odling och har tidsbegränsade effekter, " sa Kong. "Vår idé är att samla in fettvävnad i operationssalen, separera stamcellerna, blanda i nanostimulatorerna och återinjicera dem till patienten – allt i ett förfarande."

Forskarna varnar för att ytterligare arbete är nödvändigt för att optimera förutsättningarna för stamcellsskörd och beredning, och att studera effekterna på längre sikt.

"Perifer artärsjukdom kan orsaka försvagande smärta och långvarig funktionsnedsättning. Tyvärr, det finns inga konsekvent effektiva behandlingar för detta tillstånd, "Boppart sa." Denna studie är viktig eftersom den visar förmågan för modifierade stamceller att effektivt behandla PAD i en preklinisk modell, representerar ett steg närmare mot att lindra smärta hos människor."