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Goldnanopartikel für Bildgebung von Stammzellen im lebenden Organismus

Um Stammzellen für die regenerative Medizin (RM) nutzbar zu machen, sind effiziente Methoden gefragt, mit denen das Zellverhalten beobachtet werden kann. Hierfür erweist sich nun die Kombination aus Nanotechnologien und neuen bildgebenden Verfahren als erfolgreicher Ansatz.
Goldnanopartikel für Bildgebung von Stammzellen im lebenden Organismus
Obwohl der Einsatz von Stammzellen in der RM großes therapeutisches Potenzial für eine Vielzahl von Krankheiten hat, scheitern die meisten Ansätze, bevor sie überhaupt in die klinische Anwendung überführt werden können. Voraussetzung ist dabei, Entwicklung und Verhalten transplantierter Zellen wie auch die Transplantationseffizienz genau überwachen zu können.

Das EU-finanzierte Projekt NANOSTEMCELLTRACKING (Nanoparticle probes for photoacoustic tracking of stem cell) entwickelte eine Methode zur Markierung und Beobachtung von Stammzellen in vivo mit Gold-Nanostäbchen (Nanorods) sowie ein bildgebendes MSOT-Verfahren (multispektrale optoakustische Tomographie) für die Detektion.

Bei MSOT wird ein Objekt mit gepulstem Licht bestrahlt und durch dessen Absorption eine thermische Ausdehnung erzeugt. Die entstehenden Druckwellen erzeugen wiederum ein Ultraschallsignal, das in ein Bild umgewandelt werden kann. Mit dem Verfahren, das Licht als Erregungsquelle und Ultraschall für die Detektion nutzt, wird eine hervorragende Auflösung bis zu einer Tiefe von 5 cm im Gewebe erreicht.

Goldnanostäbchen eignen sich als Kontrastmittel für MSOT aufgrund ihrer starken Absorption im nahen Infrarotbereich, einem Spektrum, bei dem die Absorption in biologischem Gewebe minimal ist.

Zu Beginn des Projekts wurde die Synthese der Goldnanostäbchen für die Stammzellmarkierung optimiert. Insbesondere wurden sie mit Siliciumdioxidschalen modifiziert, um die intrazelluläre Aggregation zu verhindern. Toxizitätsassays zeigten, dass modifizierte Nanostäbchen weder toxisch sind und noch die Differenzierung der Stammzellen beeinträchtigen.

In-vivo-Tests bestätigten die hohe Sensitivität des gesamten Markierungs- und Detektionssystems. So ist es möglich, nur 10.000 mit Goldnanostäbchen markierte Zellen 20 Tage lang in einer Auflösung von 200 Mikrometern zu beobachten. Im Gegensatz zu anderen optischen Verfahren können mit MSOT markierte Transplantationszellen in hervorragender 3D-Auflösung tief im Gewebe beobachtet werden.

Weiterhin untersuchten die Forscher, wie sich Gold-Nanostäbchen für die gleichzeitige Markierung und Detektion mehrerer Zellpopulationen eignen. Hierzu wurden verschiedene Zellen mit Nanostäbchen unterschiedlicher Seitenlängen markiert und in vivo überwacht. Da die Absorptionseigenschaften der Nanostäbchen erhalten bleiben, konnte gut zwischen beiden Zellpopulationen unterschieden werden und Co-Lokalisierungsassays durchgeführt werden.

Die Projektergebnisse sind für die experimentelle und klinische Onkologie relevant, da hier die genaue Überwachung von Zellen Vorteile bringen kann. Die Echtzeitdarstellung kann Aufschluss über das immuntherapeutische Potenzial der Zellen geben, und gleichzeitig kann die Entwicklung von Medikamenten optimiert werden.

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Schlüsselwörter

Stammzelle, regenerative Medizin, Zellüberwachung, Gold-Nanostäbchen, multispektrale optoakustische Tomographie
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