Les scientifiques utilisent des nanoparticules d’or spécialement conçues pour «  rechercher  » des cellules souches osseuses

Des chercheurs de l’Université de Southampton ont développé une nouvelle façon d’utiliser les nanomatériaux pour identifier et enrichir les cellules souches squelettiques – une découverte qui pourrait éventuellement conduire à de nouveaux traitements pour les fractures osseuses majeures et à la réparation des os perdus ou endommagés.

En travaillant ensemble, une équipe de physiciens, de chimistes et d’experts en génie tissulaire a utilisé des nanoparticules d’or spécialement conçues pour «  rechercher  » des cellules souches osseuses humaines spécifiques – créant une lueur fluorescente pour révéler leur présence parmi d’autres types de cellules et leur permettre d’être isolées ou ‘ enrichi ».

Les chercheurs ont conclu que leur nouvelle technique est plus simple et plus rapide que les autres méthodes et jusqu’à 50 à 500 fois plus efficace pour enrichir les cellules souches.

L’étude, dirigée par le professeur de science musculo-squelettique, Richard Oreffo et le professeur Antonios Kanaras du groupe Quantum, Lumière et Matière de l’École de physique et d’astronomie, est publiée dans ACS Nano – une revue multidisciplinaire de renommée internationale.

Lors de tests en laboratoire, les chercheurs ont utilisé des nanoparticules d’or – de minuscules particules sphériques composées de milliers d’atomes d’or – recouvertes d’oligonucléotides (brins d’ADN), pour détecter optiquement les signatures spécifiques de l’ARN messager (ARNm) des cellules souches squelettiques dans la moelle osseuse. Lors de la détection, les nanoparticules libèrent un colorant fluorescent, ce qui permet de distinguer les cellules souches des autres cellules environnantes, sous observation microscopique. Les cellules souches peuvent ensuite être séparées en utilisant un processus sophistiqué de tri cellulaire par fluorescence.

Les cellules souches sont des cellules qui ne sont pas encore spécialisées et peuvent se développer pour remplir différentes fonctions. L’identification des cellules souches squelettiques permet aux scientifiques de cultiver ces cellules dans des conditions définies pour permettre la croissance et la formation de tissus osseux et cartilagineux – par exemple, pour aider à réparer des os cassés.

Parmi les défis posés par notre population vieillissante, il y a le besoin d’approches novatrices et rentables de la réparation osseuse. Avec une femme sur trois et un homme sur cinq à risque de fractures ostéoporotiques dans le monde, les coûts sont importants, les fractures osseuses coûtant à elles seules 17 milliards d’euros et l’économie américaine 20 milliards de dollars par an.

Au sein du groupe de recherche sur les os et les articulations de l’Université de Southampton, le professeur Richard Oreffo et son équipe étudient les thérapies basées sur les cellules souches osseuses depuis plus de 15 ans pour comprendre le développement du tissu osseux et générer des os et du cartilage. Au cours de la même période, le professeur Antonios Kanaras et ses collègues du groupe Quantum, Light and Matter ont conçu de nouveaux nanomatériaux et étudié leurs applications dans les domaines des sciences biomédicales et de l’énergie. Cette dernière étude rassemble efficacement ces disciplines et est un exemple de l’impact que le travail collaboratif et interdisciplinaire peut apporter.

Les thérapies basées sur les cellules souches squelettiques offrent certains des domaines les plus intéressants et les plus prometteurs pour le traitement des maladies osseuses et la médecine régénératrice osseuse pour une population vieillissante. Les études actuelles ont exploité des séquences d’ADN uniques à partir de cibles qui, selon nous, enrichiraient la cellule souche squelettique et, en utilisant le tri cellulaire activé par fluorescence (FACS), nous avons pu enrichir les cellules souches osseuses de patients. L’identification de marqueurs uniques est le Saint Graal de la biologie des cellules souches osseuses et, bien que nous ayons encore du chemin à parcourir; ces études offrent un changement radical dans notre capacité à cibler et à identifier les cellules souches osseuses humaines et le potentiel thérapeutique passionnant qu’elles contiennent. « 

Richard Oreffo, professeur de science musculo-squelettique

Le professeur Oreffo a ajouté: « Il est important de noter que ces études montrent les avantages de la recherche interdisciplinaire pour résoudre un problème difficile avec la biologie moléculaire / cellulaire de pointe combinée aux technologies de plate-forme de chimie des nanomatériaux. »

Le professeur Kanaras a déclaré: «La conception appropriée des matériaux est essentielle pour leur application dans des systèmes complexes. En personnalisant la chimie des nanoparticules, nous sommes en mesure de programmer des fonctions spécifiques dans leur conception.

«Dans ce projet de recherche, nous avons conçu des nanoparticules recouvertes de courtes séquences d’ADN, capables de détecter l’ARNm HSPA8 et l’ARNm Runx2 dans les cellules souches squelettiques et, conjointement avec des stratégies de déclenchement FACS avancées, pour permettre l’assortiment des cellules pertinentes de la moelle osseuse humaine. .

«Un aspect important de la conception des nanomatériaux implique des stratégies pour réguler la densité des oligonucléotides à la surface des nanoparticules, qui aident à éviter la dégradation enzymatique de l’ADN dans les cellules. Des reporters fluorescents sur les oligonucléotides nous permettent d’observer l’état des nanoparticules à différents stades de l’expérience, garantissant la qualité du capteur endocellulaire. « 

Les deux chercheurs principaux reconnaissent également que les réalisations ont été possibles grâce au travail de tous les chercheurs et doctorants expérimentés impliqués dans cette recherche, ainsi qu’à la collaboration avec le professeur Tom Brown et le Dr Afaf E-Sagheer de l’Université d’Oxford, qui ont synthétisé un grande variété d’oligonucléotides fonctionnels.

Les scientifiques appliquent actuellement le séquençage d’ARN monocellulaire à la technologie de plate-forme développée avec des partenaires d’Oxford et de l’Institut des sciences de la vie (IfLS) de Southampton pour affiner et enrichir davantage les cellules souches osseuses et évaluer la fonctionnalité. L’équipe propose ensuite de passer à une application clinique avec des études précliniques sur la formation osseuse pour générer des études de preuve de concept.

Le travail a été possible grâce à une subvention de projet BBSRC au professeur Oreffo et au professeur Kanaras.