科学家使用纳米技术检测骨愈合干细胞

南安普敦大学的研究人员开发了一种使用纳米材料来识别和丰富骨骼干细胞的新方法——这一发现最终可能为重大骨折和丢失或受损骨骼的修复提供新的治疗方法。

一个由物理学家、化学家和组织工程专家组成的团队合作，使用专门设计的金纳米粒子来“寻找”特定的人类骨干细胞——产生荧光以揭示它们在其他类型细胞中的存在并允许它们被分离或“丰富'。

研究人员得出结论，他们的新技术比其他方法更简单、更快捷，在丰富干细胞方面的效率高达 50-500 倍。

这项由肌肉骨骼科学教授 Richard Oreffo 和物理与天文学院量子、光与物质组的 Antonios Kanaras 教授领导的研究发表在国际公认的多学科期刊ACS Nano上。

在实验室测试中，研究人员使用金纳米粒子——由数千个金原子组成的微小球形粒子——涂有寡核苷酸(DNA 链)，以光学方式检测骨髓中骨骼干细胞的特定信使 RNA (mRNA) 特征。当检测发生时，纳米颗粒会释放荧光染料，使干细胞在显微镜下与周围的其他细胞区分开来。然后可以使用复杂的荧光细胞分选过程分离干细胞。

干细胞是尚未特化的细胞，可以发育以执行不同的功能。识别骨骼干细胞使科学家能够在特定条件下培养这些细胞，以促进骨骼和软骨组织的生长和形成——例如，帮助修复骨折。

人口老龄化带来的挑战之一是需要新颖且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，因此成本非常高，仅骨折一项就使欧洲经济每年花费 170 亿欧元，经济花费 200 亿美元。

在南安普敦大学骨与联合研究小组内，Richard Oreffo 教授和他的团队一直在研究基于骨干细胞的疗法超过 15 年，以了解骨组织发育并生成骨和软骨。在同一时期，Antonos Kanaras 教授和他在量子、光和物质小组的同事一直在设计新型纳米材料并研究它们在生物医学科学和能源领域的应用。这项最新研究有效地将这些学科结合在一起，是协作、跨学科工作可以带来的影响的典范。

Oreffo 教授说：“基于骨骼干细胞的疗法为老龄人口的骨病治疗和骨再生医学提供了一些最令人兴奋和有前途的领域。目前的研究利用了来自我们认为会丰富骨骼干细胞的靶标的独特 DNA 序列并且，使用荧光激活细胞分选 (FACS)，我们已经能够丰富患者的骨干细胞。识别独特的标记是骨干细胞生物学的圣杯，虽然我们还有一段路要走;这些研究提供了一个我们靶向和识别人类骨干细胞的能力发生了重大变化，以及其中令人兴奋的治疗潜力。”

Oreffo 教授补充说：“重要的是，这些研究显示了跨学科研究的优势，可以利用最先进的分子/细胞生物学与纳米材料的化学平台技术相结合来解决具有挑战性的问题。”

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。定制纳米粒子的化学性质，我们能够在其设计中对特定功能进行编程。

“在这个研究项目中，我们设计了涂有短 DNA 序列的纳米粒子，它们能够感知骨骼干细胞中的 HSPA8 mRNA 和 Runx2 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分类.

“纳米材料设计的一个重要方面涉及调节纳米颗粒表面寡核苷酸密度的策略，这有助于避免细胞中的 DNA 酶促降解。寡核苷酸上的荧光报告基因使我们能够观察纳米颗粒在不同阶段的状态实验，确保细胞内传感器的质量。”

两位主要研究人员还认识到，由于所有经验丰富的研究员和博士的工作，这些成就是可能的。参与这项研究的学生以及与牛津大学的 Tom Brown 教授和 Afaf E-Sagheer 博士合作，他们合成了多种功能性寡核苷酸。

科学家们目前正在将单细胞 RNA 测序应用于与牛津大学和南安普敦生命科学研究所 (IfLS) 的合作伙伴开发的平台技术，以进一步完善和丰富骨干细胞并评估功能。该团队建议然后通过临床前骨形成研究转向临床应用，以生成概念研究的证据。

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