- suivi ou étiquetage
- livraison
- échafaudage / plates-formes
Certaines nanoparticules ont été utilisées depuis les années 1990, pour des applications telles que la livraison de cosmétiques / soins de la peau, l'administration de médicaments et l'étiquetage. L'expérimentation de différents types de nanoparticules telles que les boîtes quantiques, les nanotubes de carbone et les nanoparticules magnétiques, sur des cellules somatiques ou des micro-organismes, a fourni le contexte à partir duquel la recherche sur les cellules souches a été lancée. C'est un fait peu connu que le premier brevet pour la préparation des nanofibres a été enregistré en 1934. Ces fibres deviendraient finalement la base des échafaudages pour la culture et la transplantation de cellules souches plus de 70 ans plus tard.
Visualisation des cellules souches à l'aide de particules IRM et SPIO
La recherche sur les applications des nanoparticules pour l'imagerie par résonance magnétique (IRM) a été poussée par la nécessité de suivre les thérapeutiques des cellules souches. Un choix commun pour cette application est les nanoparticules d'oxyde de fer superparamagnétique (SPIO), qui améliorent le contraste des images IRM.
Certains oxydes de fer ont déjà été approuvés par la FDA. Les différents types de particules sont revêtus de différents polymères à l'extérieur, généralement un hydrate de carbone. L'étiquetage IRM peut être fait en attachant les nanoparticules à la surface des cellules souches ou en provoquant l'absorption de la particule par la cellule souche par endocytose ou phagocytose.
Les nanoparticules ont contribué à notre connaissance de la migration des cellules souches dans le système nerveux.
Étiquetage à l'aide de points quantiques
Les points quantiques (Qdots) sont des cristaux à l'échelle nanométrique qui émettent de la lumière et sont constitués d'atomes des groupes II-VI du tableau périodique, incorporant souvent du cadmium. Ils sont meilleurs pour la visualisation des cellules que certaines autres techniques telles que les colorants, en raison de leur photostabilité et de leur longévité. Cela permet également leur utilisation pour étudier la dynamique cellulaire alors que la différenciation des cellules souches est en cours.
Qdots ont une expérience plus courte pour une utilisation avec des cellules souches que SPIO / IRM et ont seulement été utilisés in vitro jusqu'à présent, en raison de la nécessité d'un équipement spécial pour les suivre dans les animaux entiers.
Livraison de nucléotides pour le contrôle génétique
Les contrôles génétiques, utilisant l'ADN ou le siRNA , émergent comme un outil utile pour contrôler les fonctions cellulaires dans les cellules souches, en particulier pour diriger leur différenciation. Les nanoparticules peuvent être utilisées pour remplacer les vecteurs viraux traditionnellement utilisés, tels que les retrovirus, qui ont été impliqués dans la production de complications dans des organismes entiers tels que l'induction de mutations conduisant au cancer. Les nanoparticules offrent un vecteur moins coûteux et plus facilement réalisable pour la transfection des cellules souches, avec un risque moindre d'immunogénicité, de mutagénicité ou de toxicité.
Une approche populaire consiste à utiliser des polymères cationiques qui interagissent avec les molécules d'ADN et d'ARN. Il y a également de la place pour le développement de polymères intelligents , avec des fonctionnalités telles que la livraison ciblée ou la libération programmée . Des nanotubes de carbone avec différents groupes fonctionnels ont également été testés pour la délivrance de médicaments et d'acides nucléiques dans des cellules de mammifères, mais leur utilisation dans les cellules souches n'a pas été étudiée dans une large mesure.
Optimisation de l'environnement des cellules souches
Un domaine d'étude important dans la recherche sur les cellules souches est celui de l'environnement extracellulaire et comment les conditions à l'extérieur de la cellule envoient des signaux pour le contrôle de la différenciation, la migration, l'adhésion et d'autres activités. La matrice extracellulaire (ECM) est constituée de molécules sécrétées par des cellules telles que le collagène, l'élastine et le protéoglycane. Les propriétés de ces excrétions et la chimie de l'environnement qu'elles créent fournissent une direction aux activités des cellules souches.
Les nanoparticules ont été utilisées pour concevoir des topographies à motifs différents qui imitent l'ECM, pour étudier leurs effets sur les cellules souches.
Une complication majeure rencontrée avec les thérapies à base de cellules souches a été l'incapacité des cellules injectées à s'implanter dans les tissus cibles. Les échafaudages à l' échelle nanométrique améliorent la survie cellulaire en aidant le processus de greffe. Nanofibres filés à partir de polymères synthétiques tels que le poly (acide lactique) (PLA), ou des polymères naturels de collagène, de protéines de soie ou de chitosane, fournissent des canaux pour l'alignement des cellules souches et progénitrices. Le but ultime est de déterminer quelle composition d'échafaudage favorise le mieux l'adhérence et la prolifération des cellules souches et d'utiliser cette technique pour les greffes de cellules souches. Cependant, il semble que la morphologie des cellules cultivées sur des nanofibres puisse différer des cellules cultivées sur d'autres milieux, et peu d'études in vivo ont été rapportées.
Toxicité des nanoparticules pour les cellules souches
Comme avec toutes les découvertes biomédicales, l'utilisation de nanoparticules pour ces applications in vivo (chez l'homme) nécessite l'approbation de la FDA. Avec la découverte du potentiel des nanoparticules pour les applications de cellules souches, une demande croissante d'essais cliniques a été mise en place pour tester les nouvelles découvertes et accroître l'intérêt pour la toxicité des nanoparticules .
La toxicité des nanoparticules SPIO a été étudiée dans une large mesure. Pour la plupart, ils ne sont pas apparus toxiques, mais une étude a suggéré un effet sur la différenciation des cellules souches. Cependant, il existe encore une certaine incertitude quant à savoir si la toxicité a été causée par les nanoparticules ou l'agent de transfection / composé.
Les données de toxicité pour Qdots sont rares, mais les données disponibles ne sont pas toutes d'accord. Certaines études ne signalent aucun effet négatif sur la morphologie, la prolifération et la différenciation des cellules souches, alors que d'autres rapportent des anomalies. Les différences dans les résultats des tests pourraient être attribuées aux différentes compositions des nanoparticules ou des cellules cibles, par conséquent beaucoup plus de recherche est nécessaire pour établir ce qui est sûr et ce qui ne l'est pas, et pour quels types de cellules. Ce que l'on sait, c'est que le cadmium oxydé (Cd2 +) peut être toxique à cause de son effet sur les mitochondries des cellules. Ceci est encore compliqué par la libération d'espèces réactives de l'oxygène au cours de la dégradation de Qdot.
Les nanotubes de carbone semblent généralement génotoxiques, en fonction de leur forme, de leur taille, de leur concentration et de leur composition superficielle, et pourraient contribuer à la génération d'espèces réactives de l'oxygène dans les cellules.
Les nanoparticules sont des outils prometteurs pour de nouvelles techniques biomédicales, en raison de leur petite taille et de leur capacité à pénétrer dans les cellules. Au fur et à mesure que les progrès de la recherche continuent d'enrichir notre connaissance des facteurs contrôlant les fonctions des cellules souches, il est probable que de nouvelles applications de nanoparticules, de concert avec les cellules souches, seront découvertes. Bien que les données suggèrent que certaines applications s'avéreront plus utiles ou plus sûres que d'autres, il existe un énorme potentiel d'utilisation des nanoparticules pour améliorer et améliorer les technologies des cellules souches.
> Source:
> Ferreira, L. et al. 2008. Nouvelles opportunités: L'utilisation des nanotechnologies pour manipuler et suivre les cellules souches. Cell Stem Cell 3: 136-146. doi: 10.1016 / j.stem.2008.07.020.