Forskare vid University of Southampton har utvecklat ett nytt sätt att använda nanomaterial för att identifiera och berika skelettstamceller - en upptäckt som så småningom kan leda till nya behandlingar för större benfrakturer och reparation av förlorat eller skadat ben.

Arbetar tillsammans, ett team av fysiker, kemister och experter på vävnadsteknik använde specialdesignade guldnanopartiklar för att "söka upp" specifika mänskliga benstamceller - vilket skapade en fluorescerande glöd för att avslöja deras närvaro bland andra typer av celler och tillåta dem att isoleras eller "berikas".

Forskarna drog slutsatsen att deras nya teknik är enklare och snabbare än andra metoder och upp till 50-500 gånger effektivare för att berika stamceller.

Studien, ledd av professor i muskel- och skelettvetenskap, Richard Oreffo och professor Antonios Kanaras från Quantum, Ljus- och materiagruppen på skolan för fysik och astronomi, publiceras i ACS Nano —en internationellt erkänd multidisciplinär tidskrift.

I laboratorietester, forskarna använde guldnanopartiklar - små sfäriska partiklar som består av tusentals guldatomer - belagda med oligonukleotider (strängar av DNA), för att optiskt detektera de specifika budbärar-RNA-signaturerna (mRNA) hos skelettstamceller i benmärgen. När upptäckt sker, nanopartiklarna frigör ett fluorescerande färgämne, göra stamcellerna särskiljbara från andra omgivande celler, under mikroskopisk observation. Stamcellerna kan sedan separeras med hjälp av en sofistikerad fluorescenscellssortering.

Stamceller är celler som ännu inte är specialiserade och kan utvecklas för att utföra olika funktioner. Genom att identifiera skelettstamceller kan forskare odla dessa celler under definierade förhållanden för att möjliggöra tillväxt och bildning av ben- och broskvävnad – till exempel, att hjälpa till att laga brutna ben.

Bland utmaningarna från vår åldrande befolkning är behovet av nya och kostnadseffektiva metoder för benreparation. Med en av tre kvinnor och en av fem män riskerar att drabbas av osteoporotiska frakturer över hela världen, kostnaderna är betydande, med enbart benfrakturer som kostar den europeiska ekonomin 17 miljarder euro och den amerikanska ekonomin 20 miljarder dollar årligen.

Inom University of Southamptons ben- och gemensamma forskningsgrupp, Professor Richard Oreffo och hans team har tittat på benstamcellsbaserade terapier i över 15 år för att förstå benvävnadsutveckling och för att generera ben och brosk. Under samma tidsperiod, Professor Antonios Kanaras och hans kollegor i Quantum, Light and Matter Group har designat nya nanomaterial och studerat deras tillämpningar inom biomedicinska vetenskaper och energi. Den här senaste studien sammanför dessa discipliner effektivt och är ett exempel på samverkan, tvärvetenskapligt arbete kan ge.

Professor Oreffo sa:"Skelettstamcellsbaserade terapier erbjuder några av de mest spännande och lovande områdena för behandling av bensjukdomar och benregenerativ medicin för en åldrande befolkning. De nuvarande studierna har utnyttjat unika DNA-sekvenser från mål som vi tror skulle berika skelettstamcellen. och, med hjälp av Fluorescence Activated Cell Sorting (FACS) har vi kunnat berika benstamceller från patienter. Identifiering av unika markörer är den heliga gralen inom benstamcellsbiologi och, medan vi fortfarande har en bit kvar; Dessa studier erbjuder en stegvis förändring i vår förmåga att rikta in och identifiera mänskliga benstamceller och den spännande terapeutiska potentialen däri."

Professor Oreffo tillade:"Viktigt, dessa studier visar fördelarna med tvärvetenskaplig forskning för att ta itu med ett utmanande problem med toppmodern molekylär/cellbiologi kombinerat med nanomaterials kemiplattformsteknologier."

Professor Kanaras sa:"Lämplig design av material är avgörande för deras tillämpning i komplexa system. Genom att anpassa nanopartiklarnas kemi kan vi programmera specifika funktioner i deras design.

"I detta forskningsprojekt, vi designade nanopartiklar belagda med korta sekvenser av DNA, som kan känna av HSPA8 mRNA och Runx2 mRNA i skelettstamceller och tillsammans med avancerade FACS gatingstrategier, för att möjliggöra sortimentet av relevanta celler från mänsklig benmärg.

"En viktig aspekt av nanomaterialdesignen involverar strategier för att reglera densiteten av oligonukleotider på ytan av nanopartiklarna, som hjälper till att undvika enzymatisk nedbrytning av DNA i celler. Fluorescerande reportrar på oligonukleotiderna gör det möjligt för oss att observera statusen för nanopartiklarna i olika stadier av experimentet, säkerställa kvaliteten på den endocellulära sensorn."

Båda ledande forskarna inser också att prestationerna var möjliga tack vare arbetet från alla erfarna forskare och Ph.D. studenter involverade i denna forskning samt samarbete med professor Tom Brown och Dr. Afaf E-Sagheer vid University of Oxford, som syntetiserade en stor mängd funktionella oligonukleotider.

Forskarna tillämpar för närvarande encellig RNA-sekvensering på plattformsteknologin som utvecklats med partners i Oxford och Institute for Life Sciences (IfLS) i Southampton för att ytterligare förfina och berika benstamceller och utvärdera funktionalitet. Teamet föreslår att sedan gå över till klinisk tillämpning med prekliniska benbildningsstudier för att generera proof of concept-studier.