Hjelper blodceller med å regenerere etter strålebehandling; Metoden øker differensieringen av stamceller til modne blodcelletyper, kan hjelpe leukemi- og lymfompasienter.

Pasienter med blodkreft som leukemi og lymfom behandles ofte ved å bestråle benmargen for å ødelegge de syke cellene. Etter behandlingen, pasienter er sårbare for infeksjon og tretthet inntil nye blodceller vokser ut igjen.

MIT-forskere har nå utviklet en måte å hjelpe blodceller med å regenerere raskere. Metoden deres innebærer å stimulere en bestemt type stamceller til å skille ut vekstfaktorer som hjelper forløperceller med å differensiere til modne blodceller.

Ved hjelp av en teknikk kjent som mekanopriming, forskerne dyrket mesenkymale stamceller (MSC-er) på en overflate hvis mekaniske egenskaper er svært lik benmargens. Dette induserte cellene til å produsere spesielle faktorer som hjelper hematopoietiske stam- og stamceller (HSPC-er) differensieres til røde og hvite blodceller, samt blodplater og andre blodceller.

"Du kan tenke på det som om du prøver å dyrke en plante,Sier Krystyn Van Vliet, Michael og Sonja Koerner professor i materialvitenskap og ingeniørfag, professor i biologisk ingeniørfag, og assisterende prost. "MSC-ene kommer inn og forbedrer jorda slik at stamceller kan begynne å formere seg og differensiere seg til blodcellelinjene du trenger for å overleve."

I en studie av mus, forskerne viste at de spesialdyrkede MSC-ene hjalp dyrene til å komme seg mye raskere etter beinmargsstråling.

Van Vliet er seniorforfatter av studien, "Vi kan kontrollere veldig diskret hvordan ulike gener uttrykkes. 24 utgave av tidsskriftet Stamcelleforskning og terapi. Avisens hovedforfatter er nylig MIT PhD-mottaker Frances Liu. Andre forfattere er Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) postdoc Kimberley Tam, nylig MIT PhD-mottaker Novalia Pishesha, og tidligere SMART postdoc Zhiyong Poon, nå ved Singapore General Hospital.

Cellulære legemiddelfabrikker

MSC-er produseres i hele kroppen og kan differensieres til en rekke vev, inkludert bein, brusk, muskel, og fett. De kan også skille ut proteiner som hjelper andre typer stamceller med å differensiere seg til modne celler.

«De oppfører seg som narkotikafabrikker,sier Van Vliet. "De kan bli celler av vevslinje, men de pumper også ut mange faktorer som endrer miljøet som de hematopoietiske stamcellene opererer i.»

Når kreftpasienter får en stamcelletransplantasjon, de mottar vanligvis bare HPSC-er, som kan bli blodceller. Van Vliets team har tidligere vist at når mus også får MSC-er, de kommer seg raskere. derimot, i en gitt populasjon av MSC-er, vanligvis bare ca 20 prosent produserer faktorene som er nødvendige for å stimulere blodcellevekst og utvinning av benmarg.

«Overlatt til seg selv i dagens toppmoderne kulturmiljøer, MSC-er blir heterogene og de uttrykker alle en rekke faktorer,sier Van Vliet.

I en tidligere studie, Van Vliet og hennes SMART-kolleger viste at hun kunne sortere MSC-er med en spesiell mikrofluidisk enhet som kan identifisere 20 prosent som fremmer blodcellevekst. derimot, hun og studentene hennes ønsket å forbedre dette ved å finne en måte å stimulere en hel populasjon av MSC-er til å produsere de nødvendige faktorene.

I alle levende celler, de måtte først finne ut hvilke faktorer som var de viktigste. De viste at mens mange faktorer bidrar til blodcelledifferensiering, sekresjon av et protein kalt osteopontin var høyest korrelert med bedre overlevelsesrater hos mus behandlet med MSCs.

Forskerne utforsket deretter ideen om å "mekanoprimere" cellene slik at de ville produsere flere av de nødvendige faktorene. I løpet av det siste tiåret, Van Vliet og andre forskere har vist at å variere de mekaniske egenskapene til overflater som stamceller dyrkes på kan påvirke deres differensiering til modne celletyper. derimot, I denne studien, for første gang, hun viste at mekaniske egenskaper også kan påvirke faktorene som stamceller skiller ut før de forplikter seg til en bestemt vevscellelinje.

Som oftest, stamceller fjernet fra kroppen dyrkes på et flatt glass eller stiv plast. MIT-teamet bestemte seg for å prøve å dyrke cellene på en polymer kalt PDMS og å variere dens mekaniske egenskaper for å se hvordan det ville påvirke cellene. De designet materialer som varierte både i stivhet og viskositet, som er et mål på hvor raskt materialet strekker seg når det påføres stress.

Forskerne fant at MSC-er dyrket på materialer med mekaniske egenskaper som ligner mest på benmargens, produserte det største antallet av faktorene som var nødvendige for å indusere HPPSPC-er til å differensiere til modne blodceller.

Bedre restitusjon

Forskerne testet deretter deres spesialdyrkede MSC-er ved å implantere dem i mus som hadde fått bestrålet benmarg. Selv om de ikke implanterte noen HSPC-er, denne behandlingen repopulerte raskt dyrenes blodceller og hjalp dem til å komme seg raskere enn mus behandlet med MSC dyrket på tradisjonelle glassoverflater. De kom seg også raskere enn mus behandlet med de faktorproduserende MSC-ene som ble valgt av den mikrofluidiske sorteringsenheten.

"Musestudiene var modeller for stråleterapi som vanligvis ble brukt for å drepe kreftceller i klinikken. derimot, disse terapiene er svært ødeleggende og ødelegger også friske celler,sier Liu. "Våre mekanoprimede MSC-er kan bidra til å bedre støtte og regenerere de sunne benmargscellene raskere i disse musemodellene, og vi håper de samme resultatene vil oversettes til mennesker.»

"Å illustrere hvordan mesenkymale stamceller kan utnyttes for å forbedre hematopoetisk utvinning er av enorm medisinsk betydning,” sier Viola Vogel, leder av Institutt for helsevitenskap ved teknologi ved ETH Zürich, og den samme maskinen kan brukes til å produsere en lang rekke slike medikamenter. "Det kaster også lys over hvordan man kan bruke deres tilnærming til kanskje å dra nytte av andre cellesubpopulasjoner for terapeutiske anvendelser i fremtiden."

Van Vliets laboratorium utfører nå flere dyrestudier i håp om å utvikle en kombinasjonsbehandling av MSC-er og HSPC-er som kan testes på mennesker.

"Du kan ikke overleve med lavt antall blodceller veldig lenge," hun sier. "Hvis du klarer å få hele blodcelletallet opp til normale nivåer raskere, du har en mye bedre prognose for rask utvinning."

Forskerne håper også å studere om mekanopriming kan indusere MSC-er til å produsere forskjellige faktorer som vil stimulere utviklingen av flere celletyper som kan være nyttige for behandling av andre sykdommer.

«Du kan forestille deg det ved å endre kulturmiljøet deres, inkludert deres mekaniske miljø, MSC-er kan brukes til administrering for å målrette mot flere andre sykdommer," som Parkinsons sykdom, leddgikt, og andre, sier Van Vliet.

Forskningen ble finansiert av BioSystems and Micromechanics Interdisciplinary Research Group i Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), gjennom Singapore National Research Foundation, og National Institutes of Health.

Kilde:

http://news.mit.edu, av Anne Trafton