Nanopartículas y aplicaciones de células madre

Aplicaciones que combinan nanopartículas con células madre

La nanotecnología y los tratamientos biomédicos que utilizan células madre (como la clonación terapéutica) se encuentran entre las venas más nuevas de la investigación biotecnológica. Incluso más recientemente, los científicos han comenzado a encontrar formas de casarse con los dos. Desde aproximadamente 2003, se han acumulado ejemplos de nanotecnología y células madre combinadas en revistas científicas. Si bien las posibles aplicaciones de la nanotecnología en la investigación con células madre son innumerables, se pueden asignar tres categorías principales a su uso:

• rastreo o etiquetado
• entrega
• andamios / plataformas

Ciertas nanopartículas han estado en uso desde la década de 1990, para aplicaciones tales como la entrega de cosméticos / cuidado de la piel, entrega de medicamentos y etiquetado. La experimentación con diferentes tipos de nanopartículas, como puntos cuánticos, nanotubos de carbono y nanopartículas magnéticas, sobre células somáticas o microorganismos, ha proporcionado los antecedentes a partir de los cuales se ha lanzado la investigación con células madre. Es un hecho poco conocido que la primera patente para la preparación de nanofibras se registró en 1934. Estas fibras eventualmente se convertirían en la base de los andamios para el cultivo de células madre y el trasplante, más de 70 años después.

Visualización de células madre utilizando MRI y partículas SPIO

La investigación sobre las aplicaciones de nanopartículas para resonancia magnética (MRI) ha sido impulsada por la necesidad de rastrear la terapéutica de células madre . Una opción común para esta aplicación son las nanopartículas de óxido de hierro superparamagnético (SPIO), que mejoran el contraste de las imágenes de MRI.

Algunos óxidos de hierro ya han sido aprobados por la FDA. Los diferentes tipos de partículas están recubiertos con diferentes polímeros en el exterior, generalmente un carbohidrato. El etiquetado de MRI se puede realizar uniendo las nanopartículas a la superficie de la célula madre o causando la absorción de la partícula por la célula madre a través de endocitosis o fagocitosis.

Las nanopartículas han ayudado a aumentar nuestro conocimiento de cómo las células madre migran en el sistema nervioso.

Etiquetado con puntos cuánticos

Los puntos cuánticos (Qdots) son cristales nanoescalares que emiten luz y están compuestos por átomos de los grupos II-VI de la tabla periódica, que a menudo incorporan cadmio. Son mejores para visualizar celdas que ciertas otras técnicas, como los tintes, debido a su fotoestabilidad y longevidad. Esto también permite su uso para estudiar la dinámica celular, mientras que la diferenciación de las células madre está en progreso.

Los Qdots tienen una trayectoria más corta para usar con células madre que SPIO / MRI y solo se han usado in vitro hasta el momento, debido a la necesidad de contar con un equipo especial para rastrearlos en animales completos.

Entrega de nucleótidos para control genético

Los controles genéticos, que usan ADN o ARNip, están emergiendo como una herramienta útil para controlar las funciones celulares en células madre, particularmente para dirigir su diferenciación.Las nanopartículas se pueden usar para reemplazar los vectores virales usados ​​tradicionalmente, como los retrovirus, que se han visto implicados en la aparición de complicaciones en organismos completos, como la inducción de mutaciones que conducen al cáncer. Las nanopartículas ofrecen un vector menos costoso y más fácilmente producible para la transfección de células madre, con un menor riesgo de inmunogenicidad, mutagenicidad o toxicidad.

Un enfoque popular es usar polímeros catiónicos que interactúan con moléculas de ADN y ARN. También hay espacio para el desarrollo de polímeros inteligentes, con características tales como entrega dirigida o versión programada . Los nanotubos de carbono con diferentes grupos funcionales también se han probado para el suministro de fármacos y ácidos nucleicos en células de mamíferos, pero su uso en células madre no se ha investigado en gran medida.

Optimización del entorno de células madre

Un área de estudio importante en la investigación de células madre es la del entorno extracelular y cómo las condiciones externas a la célula envían señales para el control de la diferenciación, la migración, la adhesión y otras actividades. La matriz extracelular (ECM) , consiste en moléculas secretadas por células como colágeno, elastina y proteoglicano. Las propiedades de estas excreciones y la química del entorno que crean, proporcionan dirección para las actividades de células madre.

Las nanopartículas se han utilizado para diseñar diferentes topografías con patrones que imitan a la ECM, para estudiar sus efectos sobre las células madre.

Una complicación importante encontrada con las terapias con células madre ha sido la falla de las células inyectadas para injertarse en los tejidos diana. Los andamios a escala nanométrica mejoran la supervivencia celular ayudando al proceso de injerto. Las nanofibras hiladas a partir de polímeros sintéticos como el poli (ácido láctico) (PLA) o los polímeros naturales de colágeno, proteína de seda o quitosano proporcionan canales para la alineación de las células madre y progenitoras. El objetivo final es determinar qué composición de andamio promueve la adhesión y la proliferación de las células madre y utilizar esta técnica para los trasplantes de células madre. Sin embargo, parece que la morfología de las células cultivadas en nanofibras puede diferir de las células cultivadas en otros medios, y se han publicado pocos estudios in vivo.

Toxicidad de las nanopartículas para las células madre

Al igual que con todos los descubrimientos biomédicos, el uso de nanopartículas para estas aplicaciones in vivo (en humanos) requiere la aprobación de la FDA. Con el descubrimiento del potencial de las nanopartículas para aplicaciones de células madre, ha surgido una creciente demanda de ensayos clínicos para probar los nuevos descubrimientos y un creciente interés en la toxicidad de las nanopartículas.

La toxicidad de nanopartículas SPIO se ha estudiado en gran medida. En su mayor parte, no han aparecido tóxicos, pero un estudio ha sugerido un efecto sobre la diferenciación de las células madre. Sin embargo, todavía existe cierta incertidumbre sobre si la toxicidad fue causada por las nanopartículas o el agente / compuesto de transfección.

Los datos de toxicidad para Qdots son escasos, pero no todos los datos coinciden.Algunos estudios informan que no hay efectos adversos en la morfología, proliferación y diferenciación de las células madre, mientras que otros informan anormalidades. Las diferencias en los resultados de las pruebas podrían atribuirse a las diferentes composiciones de las nanopartículas o células diana, por lo tanto, se necesita mucha más investigación para establecer qué es seguro y qué no, y para qué tipos de células. Lo que se sabe es que el cadmio oxidado (Cd2 +) puede ser tóxico debido a su efecto sobre las mitocondrias de las células. Esto se complica aún más por la liberación de especies reactivas de oxígeno durante la degradación de Qdot.

Los nanotubos de carbono parecen ser generalmente genotóxicos, dependiendo de su forma, tamaño, concentración y composición de la superficie, y pueden contribuir a la generación de especies reactivas de oxígeno en las células.

Las nanopartículas son herramientas prometedoras para las nuevas técnicas biomédicas, debido a su pequeño tamaño y capacidad de penetrar las células. A medida que los avances de la investigación continúen aumentando nuestro conocimiento de los factores que controlan las funciones de las células madre, es probable que se descubran nuevas aplicaciones para las nanopartículas, junto con las células madre. Si bien la evidencia sugiere que algunas aplicaciones serán más útiles o más seguras que otras, existe un enorme potencial para usar nanopartículas para mejorar y mejorar las tecnologías de células madre.

Fuente:

Ferreira, L. et al. 2008. Nuevas oportunidades: el uso de nanotecnologías para manipular y rastrear células madre. Cell Stem Cell 3: 136-146. doi: 10. 1016 / j. vástago. 2008. 07. 020.