Nowy system obrazowania pomaga zoptymalizować leczenie zapalenia stawów z wykorzystaniem komórek macierzystych
Zapalenie stawów jest jednym z najbardziej powszechnych schorzeń na świecie, które znacząco wpływa na jakość życia pacjentów. Na chorobę zwyrodnieniową stawów, spowodowaną stopniowym zużywaniem się chrząstki stawowej w miarę upływu czasu, cierpi około 10 % światowej populacji. W samej Europie jest to około 70 milionów pacjentów. Mimo tak wielu przypadków wciąż nie istnieje skuteczne lekarstwo na tę chorobę. Większość dostępnych zabiegów polega na łagodzeniu objawów i nie przywraca formy ani funkcjonowania uszkodzonego stawu. Komórki macierzyste stanowią jedną z obiecujących dróg terapeutycznych, jako że oferują unikalną możliwość regeneracji uszkodzonej chrząstki. Przeszkodą w stosowaniu tej terapii jest jednak niemożność wykrycia udanego przeszczepu w czasie rzeczywistym przy stosowaniu konwencjonalnych technik obrazowania. „Potencjał zabiegów z wykorzystaniem komórek macierzystych jest ograniczony przez brak wiedzy na temat tego, gdzie komórki trafiają i jak funkcjonują u ludzi”, wyjaśnia Martin Leahy, przewodniczący fizyki stosowanej na Uniwersytecie w Galway.
Ograniczenia w stosowaniu istniejących technologii
Obecne technologie obrazowania nie są w stanie wykryć elementów mniejszych niż 1/200 głębokości tkanki. Dodatkowo, z uwagi na niski poziom kontrastu wewnętrznego komórek macierzystych, trudno je dostrzec podczas obrazowania. „Ogranicza to postęp w zakresie ich właściwości leczniczych i bezpieczeństwa”, mówi Leahy. Leahy koordynował finansowany przez Unię Europejską projekt STARSTEM, w ramach którego zaproponowano nową, innowacyjną technikę obrazowania zdolną do wychwytywania ludzkich komórek macierzystych na poziomach istotnych klinicznie. Zespół projektu STARSTEM wykorzystał w obrazowaniu złote nanogwiazdki, które pochłaniają 10 razy więcej światła niż konwencjonalne barwniki i pomagają w precyzyjnym wskazywaniu położenia komórek macierzystych. „Byliśmy w stanie dostrzec mezenchymalne komórki macierzyste (ang. mesenchymal stem cells, MSC) i pęcherzyki zewnątrzkomórkowe (ang. extracellular vesicles, EV) ukryte głęboko w «owczych kolanach», najlepszym modelu ludzkiego zapalenia stawu kolanowego, przez kilka miesięcy po wstrzyknięciu materiału”, zauważa Leahy. MSC to komórki wyizolowane z mieszaniny zawierającej szpik kostny, zaś EV to maleńkie pęcherzyki w obrębie MSC.
Obrazowanie z nanotechnologią
Projekt STARSTEM miał na celu wykorzystanie i poprawę właściwości oferowanych przez obrazowanie fotoakustyczne, nieinwazyjny system, który wykorzystuje lasery do tworzenia obrazów tkanek (i innych substancji) pod skórą. Nanomateriały mają pewne właściwości, dzięki którym mogą przyczynić się do ulepszenia tego rodzaju systemu obrazowania. Badacze z projektu umieścili złote nanogwiazdki w komórkach macierzystych, by zwiększyć poziom kontrastu i poprawić obrazowanie tkanek głębokich. „Nanogwiazdki opracowane w projekcie STARSTEM zoptymalizowano tak, aby zapewnić największą depozycję energii, a tym samym kontrast fotoakustyczny wszystkich cząstek”, wyjaśnia Leahy. „Energia zdeponowana w nanogwiazdkach powoduje, że otaczające je komórki i tkanki drgają silniej niż dowolne inne cząsteczki, dzięki czemu stają się lepiej widoczne za pomocą systemu fotoakustycznego”, dodaje. Zespół zoptymalizował każdy etap procesu obrazowania, co umożliwiło wykrywanie nawet niewielkich ilości MSC i EV na głębokości istotnej klinicznie. Dzięki serii prób naukowcy zdołali określić optymalną wielkość i kształt złotych nanogwiazdek, dzięki którym uda się poprawić kontrast obrazowania. Postępy te pozwoliły zespołowi zmaksymalizować poziom obrazowania komórek macierzystych przy jednoczesnym zapewnieniu braku toksycznych skutków ubocznych.
Droga to medycyny regeneracyjnej
Uzyskane postępy mogą pomóc naukowcom lepiej zrozumieć, jak działają komórki macierzyste i pomóc w przejściu od medycyny prewencyjnej do regeneracyjnej, której zadaniem jest stworzenie metod regeneracji lub zastąpienia utraconych komórek. Uważa się, że zarówno MSC, jak i EV uruchamiają proces gojenia i wspomagają naprawę tkanek w organizmie. Zespół STARSTEM zamierza teraz przetestować swoje złote nanogwiazdki w badaniach klinicznych.
Słowa kluczowe
STARSTEM, komórki macierzyste, zapalenie stawów, regeneracyjna, medycyna, nanotechnologia, nanomateriały, złoto, pęcherzyki, nanocząstki