Nanoteknik skapar nya vägar till stamcellernas inre

Forskare vid Lunds universitet har utvecklat en lovande nanoteknikbaserad metod för att leverera biomolekyler till mänskliga blodstamceller. Metodens förmåga att bibehålla cellernas funktion utan någon negativ påverkan har stor potential inom både grundforskning och kliniska tillämpningar.

Utvecklingen av nya terapeutiska biomolekyler – som gensaxen CRISPR – har gått otroligt snabbt de senaste åren men begränsas av svårigheter att få in molekylerna i de önskade målcellerna. Idag används framförallt starka elektriska spänningsfält som destabiliserar cellmembranet, s.k. elektroporering, eller genetiskt modifierade virus.

schematisk bild CeNT

– Trots att de regelbundet används inom forskningen har dessa metoder oönskade bieffekter – dels i form av ökad celldödlighet efter elektroporering och dels i form av de risker för allvarliga genetiska förändringar som finns kring användning av virus, säger Jonas Larsson, professor i molekylär medicin med inriktning hematologi och stamcellsbiologi vid Stamcellscentrum, Lunds universitet.

I ett ämnesöverskridande samarbete mellan forskargrupper från de två strategiska forskningsområdena StemTherapy och NanoLund har man försökt angripa de här problemen.

–Vi ville utveckla en mer skonsam metod för att leverera biomolekyler in i mänskliga blodstamceller, förklarar Ludwig Schmiderer, försteförfattare till studien och doktorand i professor Jonas Larssons forskargrupp vid Lunds Stamcellscentrum.

– Tillsammans med Martin Hjort, forskare vid NanoLund och teknisk chef på NAVAN Technologies, undersökte vi ifall mikroskopiskt små konstgjorda rör, så kallade nanorör, skulle kunna användas för detta ändamål.

Nanorören är 1-3 mikrometer långa aluminiumoxidrör med en diameter på 100-200 nanometer som tillverkas lokalt i Lunds NanoLab. Närheten mellan nanolaboratoriet och stamcellslaboratoriet gav forskarna en möjlighet att snabbt återkoppla mellan biologiska experiment och materialoptimering.

– I tidigare studier har vi använt dessa strukturer för att extrahera molekyler från celler utan att påverka cellernas överlevnad. I den här studien undersökte vi om vi kunde använda nanorören i omvänd riktning och på så sätt få in biomolekyler i mänskliga blodstamceller, säger Martin Hjort.

I artikeln som nu publiceras i den vetenskapliga tidskriften PNAS visar forskargrupperna hur de har utvecklat en metod kallad Centrifugation enhanced Nanostraw Transfection(förkortat CeNT).

I CeNT placeras blodstamceller i en behållare ovanpå ett membran täckt med nanorör. Under membranet finns ett utrymme med biomolekylerna som man vill få in i cellerna. En lätt centrifugering gör att cellerna trycks mot nanorören så att en kanal skapas mellan biomolekylerna och cellernas inre. Med hjälp av ett svagt elektriskt fält dras sen molekylerna in i cellerna. Hela processen tar mindre än 10 minuter.

– Med den här metoden kan vi föra in molekyler av olika storlek, från små molekyler av propidiumjodid till stora dextrankedjor upp till 2 MegaDalton. Framförallt visar vi att vi kan leverera funktionellt genetiskt material till blodstamceller, säger Ludwig Schmiderer.

Efter att ha använt CeNT för att föra in mRNA (budbärar-RNA) som kodar för grönt fluorescerande protein (GFP) kunde forskarna isolera grönmärkta celler för att undersöka hur de påverkats av behandlingen. Inte bara fann de att cellernas överlevnad var opåverkad, genom transplantationsstudier kunde de också bekräfta att de hade lyckats nå in i de mest åtråvärda stamcellerna.

– Dessutom såg vi inga förändringar i genuttryck kopplade till nanorören. De enda förändringar vi såg var direkt kopplade till det mRNA vi levererade. Detta skiljer sig kraftigt från motsvarande behandling med elektroporering då uttrycket av mer än 2000 gener förändrades, berättar Ludwig Schmiderer.

Forskarna bakom studien säger att den spännande nya tekniken har många fördelar både med avseende på grundforskning och kliniska tillämpningar och talar om en metod som är snabb, skonsam och helt utan bieffekter samtidigt som cellerna hålls i sitt vanliga cellmedium och således påverkas så lite som möjligt.

– Att metoden är så oväntat skonsam har uppmuntrat oss att utforska mer direkta tillämpningar av nanorör, sammanfattar Martin. Nästa fokusområde är därför att använda nanorör för att föra in genediterande system som gensaxen CRISPR-Cas9 i stamceller, vilket har potential att korrigera sjukdomsalstrande genetiska mutationer, säger Ludwig Schmiderer.

För mer information, kontakta:
Ludwig Schmiderer, doktorand vid avdelningen för molekylärmedicin och genterapi, Lunds universitet, 076-7821373, ludwig.schmiderer@med.lu.se
Martin Hjort, forskare vid NanoLund och kemisk biologi inriktning läkemedelsutveckling, Lunds universitet, 073-6185866, martin.hjort@med.lu.se
Jonas Larsson, professor vid avdelningen för molekylärmedicin och genterapi, Lunds universitet, 070-5727909, jonas.larsson@med.lu.se

Publikation
Efficient and nontoxic biomolecule delivery to primary human hematopoietic stem cells using nanostraws
PNAS 17 augusti 2020 https://doi.org/10.1073/pnas.2001367117

—————–