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.

Travailler ensemble, une équipe de physiciens, des chimistes et des experts en génie tissulaire ont 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 « enrichies ».

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, dirigé par le professeur de sciences musculo-squelettiques, Richard Oreffo et le professeur Antonios Kanaras du Quantum, Groupe Lumière et Matière à l'École de Physique et d'Astronomie, est publié dans ACS Nano —une revue multidisciplinaire de renommée internationale.

Dans les tests de 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 d'ARN messager (ARNm) spécifiques des cellules souches squelettiques dans la moelle osseuse. Lorsque la détection a lieu, les nanoparticules libèrent un colorant fluorescent, rendre les cellules souches distinguables des autres cellules environnantes, sous observation microscopique. Les cellules souches peuvent ensuite être séparées à l'aide d'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 faire croître ces cellules dans des conditions définies pour permettre la croissance et la formation de tissus osseux et cartilagineux, par exemple, pour aider à réparer les os cassés.

Parmi les défis posés par notre population vieillissante, il y a le besoin d'approches novatrices et rentables pour 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 coûtent à elles seules 17 milliards d'euros à l'économie européenne et 20 milliards de dollars à l'économie américaine 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 depuis plus de 15 ans les thérapies à base de cellules souches osseuses pour comprendre le développement du tissu osseux et générer des os et du cartilage. Sur la même période, Le professeur Antonios Kanaras et ses collègues du Quantum, Light and Matter Group conçoit de nouveaux nanomatériaux et étudie 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 collaboratif, le travail interdisciplinaire peut apporter.

Le professeur Oreffo a déclaré :« Les thérapies à base de cellules souches squelettiques offrent certains des domaines les plus passionnants et les plus prometteurs pour le traitement des maladies osseuses et la médecine régénérative 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, alors que nous avons 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 recèlent. »

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, qui sont capables de détecter l'ARNm HSPA8 et l'ARNm Runx2 dans les cellules souches squelettiques et avec des stratégies avancées de gating FACS, 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 permettent d'observer l'état des nanoparticules à différentes étapes de l'expérience, assurant 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. étudiants impliqués dans cette recherche ainsi que la collaboration avec le professeur Tom Brown et le Dr Afaf E-Sagheer de l'Université d'Oxford, qui a synthétisé une grande variété d'oligonucléotides fonctionnels.

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