科学家使用纳米技术检测骨愈合干细胞

一个由物理学家、化学家和组织工程专家组成的团队共同努力，使用专门设计的金纳米颗粒“寻找”特定的人类骨干细胞——产生荧光，以显示它们在其他类型细胞中的存在，并允许它们被分离或“富集”。

研究人员得出结论，他们的新技术比其他方法更简单、更快，在富集干细胞方面的效率是其他方法的50-500倍。

这项研究由肌肉骨骼科学教授Richard Oreffo和物理学与天文学学院量子、光与物质组的Antonios Kanaras教授领导，发表在《科学》杂志上ACS Nano——一本国际公认的多学科期刊。

在实验室测试中，研究人员使用金纳米颗粒——由数千个金原子组成的微小球形颗粒——包裹着寡核苷酸(DNA链)，光学检测骨髓中骨骼干细胞的特定信使RNA (mRNA)特征。当检测发生时，纳米颗粒释放出荧光染料，使干细胞在显微镜下与周围的其他细胞区分开来。然后可以使用复杂的荧光细胞分选过程分离干细胞。

干细胞是尚未特化的细胞，可以发育成执行不同功能的细胞。识别骨骼干细胞使科学家能够在规定的条件下培养这些细胞，以促进骨骼和软骨组织的生长和形成——例如，帮助修复骨折。

人口老龄化带来的挑战之一是需要新颖和经济有效的骨修复方法。全世界有三分之一的女性和五分之一的男性面临骨质疏松性骨折的风险，其成本是巨大的，仅骨折一项就使欧洲经济每年损失170亿欧元，美国经济每年损失200亿美元。

在南安普顿大学的骨骼和关节研究小组，理查德·奥雷弗教授和他的团队已经研究了15年以上的骨干细胞疗法，以了解骨组织的发育，并产生骨和软骨。在同一时期，量子、光和物质小组的Antonios Kanaras教授和他的同事们一直在设计新型纳米材料，并研究它们在生物医学科学和能源领域的应用。这项最新研究有效地将这些学科结合在一起，是协作、跨学科工作所能带来的影响的典范。

Oreffo教授说:“骨骼干细胞疗法为骨病治疗和老龄化人口的骨再生医学提供了一些最令人兴奋和最有前途的领域。目前的研究利用了来自靶标的独特DNA序列，我们相信这将丰富骨骼干细胞，并且使用荧光激活细胞分选(FACS)，我们已经能够丰富来自患者的骨干细胞。鉴定独特的标记物是骨干细胞生物学的圣杯，虽然我们还有一段路要走;这些研究为我们定位和识别人类骨干细胞的能力以及其中令人兴奋的治疗潜力提供了一个步骤。”

Oreffo教授补充说:“重要的是，这些研究显示了跨学科研究的优势，将最先进的分子/细胞生物学与纳米材料的化学平台技术相结合，解决了一个具有挑战性的问题。”

卡纳拉斯教授说:“材料的适当设计对于它们在复杂系统中的应用至关重要。定制纳米颗粒的化学性质，我们能够在其设计中编程特定功能。”

“在这个研究项目中，我们设计了包被短序列DNA的纳米颗粒，它能够感知骨骼干细胞中的HSPA8 mRNA和Runx2 mRNA，并结合先进的FACS门控策略，使来自人类骨髓的相关细胞分类成为可能。

“纳米材料设计的一个重要方面涉及调节纳米颗粒表面寡核苷酸密度的策略，这有助于避免细胞中DNA的酶促降解。寡核苷酸上的荧光报告使我们能够在实验的不同阶段观察纳米颗粒的状态，确保了细胞内传感器的质量。”

两位首席研究人员还认识到，由于参与这项研究的所有经验丰富的研究员和博士生的工作，以及与牛津大学的Tom Brown教授和Afaf E-Sagheer博士的合作，这些成就是可能的，他们合成了各种各样的功能性寡核苷酸。

科学家们目前正在将单细胞RNA测序应用于与牛津大学和南安普顿生命科学研究所(IfLS)合作开发的平台技术，以进一步完善和丰富骨干细胞并评估功能。该团队建议然后通过临床前骨形成研究转移到临床应用，以产生概念研究的证明。

这项工作是通过BBSRC授予Oreffo教授和Kanaras教授的项目而得以实现的。