科学家们使用特殊设计的纳米粒子来寻找骨干细胞

　　南安普敦大学(UniversityofSouthampton)的研究人员开发了一种利用纳米材料识别和丰富骨骼干细胞的新方法--这一发现最终可能导致治疗骨折和修复丢失或受损骨的新疗法。
　　一个由物理学家、化学家和组织工程专家组成的团队共同使用特殊设计的纳米粒子来＂寻找＂特定的人类骨干细胞--产生荧光，揭示它们在其他类型细胞中的存在，并允许它们被分离或＂富集＂。
　　研究人员总结说，他们的新技术比其他方法更简单，速度更快，并且在丰富干细胞方面的效率提高了50至500倍。
　　这项研究由肌肉骨骼科学教授理查德·奥雷福和物理学和天文学学院量子、光和物质组的安东尼奥斯·卡纳拉斯教授领导。
　　在实验室测试中，研究人员使用纳米粒子--由数千个金原子组成的微小球形粒子--涂有寡核苷酸(DNA链)，光学地检测骨髓中骨骼干细胞的特定信使RNA(MRNA)特征。在显微镜观察下，当检测发生时，纳米粒子释放荧光染料，使干细胞与周围其他细胞区分开来。然后，可以使用复杂的荧光细胞分选过程分离干细胞。
　　干细胞是一种细胞，还没有专门化，可以分化成履行不同的功能的细胞。通过识别骨骼干细胞，科学家可以在特定的条件下生长这些细胞，以促进骨和软骨组织的生长和形成--例如，帮助修复骨折。
　　我们人口老龄化带来的挑战之一是需要新的、具有成本效益的骨修复方法。全世界有三分之一的女性和五分之一的男性面临骨质疏松性骨折的风险，这一代价是巨大的，仅骨折一项就使欧洲经济每年损失170亿欧元，美国经济每年损失200亿美元。
　　在南安普敦大学的骨和联合研究小组内，理查德·奥雷福教授和他的团队15年来一直在研究基于骨干细胞的疗法，以了解骨组织的发育并产生骨和软骨。在同一时期，Antonios Kanaras教授和他在量子、光和物质小组的同事一直在设计新的纳米材料，并研究它们在生物医学科学和能源领域的应用。这项最新的研究有效地将这些学科结合在一起，是合作、跨学科工作所能带来的影响的范例。以骨骼干细胞为基础的治疗为老年人群提供了一些最令人兴奋和有希望的骨病治疗和骨再生医学领域。目前的研究利用了我们认为将丰富骨骼干细胞的目标的独特的DNA序列，并且，利用荧光激活细胞分类(FACS)，我们已经能够丰富患者的骨干细胞。识别独特的标记物是骨干细胞生物学中的圣杯，尽管我们还有一段路要走；这些研究提供了一个步骤，改变了我们针对和识别人类骨干细胞的能力以及其中令人兴奋的治疗潜力。
　　理查德·奥雷福，肌肉骨骼学教授
　　Oreffo教授补充道：＂重要的是，这些研究显示了跨学科研究的优势，以解决一个具有挑战性的问题，这是分子/细胞生物学技术与纳米材料的化学平台技术相结合的结果。＂
　　Kanaras教授说：＂材料的适当设计对于它们在复杂系统中的应用至关重要。
　　＂在本研究项目中，我们设计了包裹DNA短序列的纳米粒子，它能够感知骨骼干细胞中的HSPA 8 mRNA和Runx 2 mRNA，并结合先进的FACS门控策略，使来自人类骨髓的相关细胞能够进行分类。＂
　　纳米材料设计的一个重要方面包括调节纳米颗粒表面寡核苷酸浓度的策略，这有助于避免DNA在细胞中的酶降解。寡核苷酸上的荧光记者使我们能够观察纳米粒子在实验的不同阶段的状态，从而确保细胞内传感器的质量。＂
　　两位领导研究人员还认识到，由于参与这项研究的所有有经验的研究员和博士生的工作，以及与牛津大学的Tom Brown教授和Afaf E-Sagheer博士的合作，这些成就是可能的，他们合成了多种功能性寡核苷酸。
　　科学家目前正在将单细胞RNA测序应用于与牛津大学和南安普敦生命科学研究所合作开发的平台技术，以进一步完善和丰富骨干细胞并评估其功能。该研究小组建议，然后转移到临床应用与临床前骨形成研究，以产生证据的概念研究。
　　更多资料：Xavier, M., et al. (2021) Enrichment of Skeletal Stem Cells from Human Bone Marrow Using Spherical Nucleic Acids. ACS Nano. doi.org/10.1021/acsnano.0c10683.