Neues bildgebendes System verhilft zur Optimierung der Stammzelltherapie bei Arthritis
Bei Arthritis handelt es sich um ein lähmendes Leiden und die am weitesten verbreitete Erkrankung der Welt. Von Osteoarthritis, die durch den allmählichen Verschleiß des Gelenkknorpels verursacht wird, sind etwa 10 % der Weltbevölkerung betroffen. Allein in Europa gibt es rund 70 Millionen Erkrankte. Dennoch gibt es noch immer kein wirksames Heilmittel. Die meisten Behandlungen konzentrieren sich auf die Linderung der Symptome und stellen weder Form noch Funktion wieder her. Stammzellen stellen einen vielversprechenden therapeutischen Ansatz dar, der eine einzigartige Möglichkeit zur Regeneration von verletztem Knorpel bietet. Diese Therapie wird jedoch dadurch behindert, dass eine erfolgreiche Transplantation mit herkömmlichen Abbildungsverfahren nicht in Echtzeit erkannt werden kann. „Der Erfolg von Stammzellenbehandlungen wird durch das fehlende Wissen darüber eingeschränkt, wohin sich die Zellen bewegen und was sie im Menschen tun“, erklärt Martin Leahy, Lehrstuhlinhaber für angewandte Physik an der Universität Galway.
Beschränkungen der derzeitigen Technologien
Mit den derzeitigen Bildgebungsverfahren können keine Objekte erkannt werden, die kleiner als 1/200 der Gewebetiefe sind, und Stammzellen weisen einen geringen Eigenkontrast auf, womit sie schwer zu sehen sind. „Dadurch wird der Fortschritt in Bezug auf ihre Heilwirkung und Sicherheit eingeschränkt“, so Leahy. Leahy koordinierte das EU-finanzierte Projekt STARSTEM, das ein innovatives neues Bildgebungsverfahren vorschlug, mit der menschliche Stammzellen auf klinisch relevantem Niveau erfasst werden können. STARSTEM führte die Verwendung von Goldnanosternen ein, die zehnmal mehr Licht absorbieren als herkömmliche Farbstoffe und helfen, Stammzellen zu lokalisieren. „Wir konnten mesenchymale Stammzellen und extrazelluläre Vesikel tief in Schafsknien, dem besten Modell für Kniearthrose beim Menschen, für mehrere Monate nach der Injektion erkennen“, stellt Leahy fest. Mesenchymale Stammzellen sind Zellen, die aus einer Mischung aus Knochenmark isoliert wurden, und extrazelluläre Vesikel sind winzige, darin enthaltene Bläschen.
Bildgebung mit Nanotechnologie
STARSTEM zielte darauf ab, die Eigenschaften der photoakustischen Bildgebung zu nutzen und zu verbessern, ein nicht-invasives System, das Laser verwendet, um Bilder von Gewebe – und anderen Substanzen – unter der Haut zu erstellen. Nanomaterialien besitzen bestimmte Eigenschaften, durch die sie diese Art von Bildgebungssystem verbessern. Die STARSTEM-Forschenden internalisierten Goldnanosterne in Stammzellen, die den Kontrast verstärken und die Bildgebung tiefer Gewebeschichten verstärken. „Die STARSTEM-Nanosterne wurden so optimiert, dass sie die größte Energieübertragung und damit den größten photoakustischen Kontrast aller Partikel bieten“, erklärt Leahy. „Die in den Nanosternen gespeicherte Energie versetzt die umgebenden Zellen und das Gewebe stärker in Schwingung als bei anderen Partikeln, wodurch sie mit dem photoakustischen System leichter sichtbar werden“, fügt er hinzu. Das Team veränderte jeden Teil des Bildgebungsverfahrens zum Positiven, womit sie die kleinste Anzahl von mesenchymalen Stammzellen und extrazellulären Vesikeln in klinisch relevanten Tiefen nachweisen konnten. Durch eine Reihe von Versuchen gelang es ihnen, die optimale Größe und Form von Goldnanopartikeln zu finden, um den Bildkontrast zu erhöhen. Dank dieser Fortschritte konnte das Team die Aufnahme von Stammzellen maximieren und gleichzeitig sicherstellen, dass keine toxischen Wirkungen auftreten.
Auf dem Weg zur regenerativen Medizin
Die Fortschritte könnten den wissenschaftlichen Teams helfen, die Funktionsweise von Stammzellen besser zu verstehen und den Übergang von der präventiven zur regenerativen Medizin zu unterstützen. Dieses Teilgebiet der Medizin zielt darauf ab, Methoden zur Reparatur oder zum Ersatz verlorener Zellen zu entwickeln. Es wird angenommen, dass sowohl mesenchymale Stammzellen als auch extrazelluläre Vesikel die Heilung auslösen und die Gewebereparatur im Körper unterstützen. Das STARSTEM-Team strebt an, nun seine Goldnanosterne in klinischen Studien zu erproben.
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