I ricercatori dell'Università di Southampton hanno sviluppato un nuovo modo di utilizzare i nanomateriali per identificare e arricchire le cellule staminali scheletriche, una scoperta che potrebbe portare a nuovi trattamenti per le principali fratture ossee e alla riparazione di ossa perse o danneggiate.

Lavorare insieme, un team di fisici, chimici ed esperti di ingegneria dei tessuti hanno utilizzato nanoparticelle d'oro appositamente progettate per "ricercare" specifiche cellule staminali ossee umane, creando un bagliore fluorescente per rivelare la loro presenza tra altri tipi di cellule e consentire loro di essere isolate o "arricchite".

I ricercatori hanno concluso che la loro nuova tecnica è più semplice e veloce di altri metodi e fino a 50-500 volte più efficace nell'arricchire le cellule staminali.

Lo studio, guidato dal Professore di Scienze Muscoloscheletriche, Richard Oreffo e il professor Antonios Kanaras del Quantum, Gruppo Luce e Materia nella Scuola di Fisica e Astronomia, è pubblicato in ACS Nano —una rivista multidisciplinare riconosciuta a livello internazionale.

Nei test di laboratorio, i ricercatori hanno utilizzato nanoparticelle d'oro, minuscole particelle sferiche costituite da migliaia di atomi d'oro, ricoperte di oligonucleotidi (fili di DNA), per rilevare otticamente le firme specifiche dell'RNA messaggero (mRNA) delle cellule staminali scheletriche nel midollo osseo. Quando avviene il rilevamento, le nanoparticelle rilasciano un colorante fluorescente, rendendo le cellule staminali distinguibili dalle altre cellule circostanti, sotto osservazione microscopica. Le cellule staminali possono quindi essere separate utilizzando un sofisticato processo di selezione delle cellule a fluorescenza.

Le cellule staminali sono cellule che non sono ancora specializzate e possono svilupparsi per svolgere diverse funzioni. L'identificazione delle cellule staminali scheletriche consente agli scienziati di far crescere queste cellule in condizioni definite per consentire la crescita e la formazione di tessuto osseo e cartilagineo, ad esempio per aiutare a riparare le ossa rotte.

Tra le sfide poste dalla nostra popolazione che invecchia c'è la necessità di approcci nuovi ed economici alla riparazione ossea. Con una donna su tre e un uomo su cinque a rischio di fratture osteoporotiche in tutto il mondo, i costi sono notevoli, con le sole fratture ossee che costano all'economia europea 17 miliardi di euro e all'economia statunitense 20 miliardi di dollari all'anno.

All'interno del Bone and Joint Research Group dell'Università di Southampton, Il professor Richard Oreffo e il suo team hanno esaminato le terapie a base di cellule staminali ossee per oltre 15 anni per comprendere lo sviluppo del tessuto osseo e generare osso e cartilagine. Nello stesso arco di tempo, Il professor Antonios Kanaras e i suoi colleghi del Quantum, Light and Matter Group ha progettato nuovi nanomateriali e ne ha studiato le applicazioni nei campi delle scienze biomediche e dell'energia. Questo ultimo studio riunisce efficacemente queste discipline ed è un esempio dell'impatto collaborativo, il lavoro interdisciplinare può portare.

Il professor Oreffo ha dichiarato:"Le terapie basate sulle cellule staminali scheletriche offrono alcune delle aree più interessanti e promettenti per il trattamento delle malattie ossee e la medicina rigenerativa ossea per una popolazione che invecchia. Gli studi attuali hanno sfruttato sequenze di DNA uniche da bersagli che riteniamo arricchirebbero la cellula staminale scheletrica e, utilizzando il Fluorescence Activated Cell Sorting (FACS) siamo stati in grado di arricchire le cellule staminali ossee dei pazienti. L'identificazione di marcatori unici è il Santo Graal nella biologia delle cellule staminali ossee e, mentre abbiamo ancora molta strada da fare; questi studi offrono un cambiamento radicale nella nostra capacità di indirizzare e identificare le cellule staminali ossee umane e l'eccitante potenziale terapeutico in esse contenuto".

Il professor Oreffo ha aggiunto:"È importante che questi studi mostrano i vantaggi della ricerca interdisciplinare per affrontare un problema impegnativo con la biologia molecolare/cellulare all'avanguardia combinata con le tecnologie della piattaforma chimica dei nanomateriali".

Il professor Kanaras ha affermato:"La progettazione appropriata dei materiali è essenziale per la loro applicazione in sistemi complessi. Personalizzando la chimica delle nanoparticelle siamo in grado di programmare funzioni specifiche nella loro progettazione.

"In questo progetto di ricerca, abbiamo progettato nanoparticelle rivestite con brevi sequenze di DNA, che sono in grado di rilevare l'mRNA HSPA8 e l'mRNA Runx2 nelle cellule staminali scheletriche e insieme a strategie avanzate di gating FACS, per consentire l'assortimento delle cellule rilevanti dal midollo osseo umano.

"Un aspetto importante della progettazione dei nanomateriali riguarda strategie per regolare la densità degli oligonucleotidi sulla superficie delle nanoparticelle, che aiutano ad evitare la degradazione enzimatica del DNA nelle cellule. Reporter fluorescenti sugli oligonucleotidi ci consentono di osservare lo stato delle nanoparticelle nelle diverse fasi dell'esperimento, garantire la qualità del sensore endocellulare."

Entrambi i ricercatori principali riconoscono anche che i risultati sono stati possibili grazie al lavoro di tutti i ricercatori esperti e del dottorato di ricerca. studenti coinvolti in questa ricerca nonché la collaborazione con il Professor Tom Brown e il Dr. Afaf E-Sagheer dell'Università di Oxford, che ha sintetizzato una grande varietà di oligonucleotidi funzionali.

Gli scienziati stanno attualmente applicando il sequenziamento dell'RNA a singola cellula alla tecnologia della piattaforma sviluppata con i partner di Oxford e l'Istituto per le scienze della vita (IfLS) di Southampton per perfezionare e arricchire ulteriormente le cellule staminali ossee e valutarne la funzionalità. Il team propone quindi di passare all'applicazione clinica con studi preclinici sulla formazione dell'osso per generare studi di prova del concetto.