Eine neue Methode zur Medikamentenverabreichung kann die Seneszenz von Stammzellen umkehren

Mit zunehmendem Alter verändert und degeneriert unser Körper im Laufe der Zeit in einem Prozess, der Seneszenz genannt wird. Stammzellen, die die einzigartige Fähigkeit besitzen, sich in andere Zelltypen umzuwandeln, unterliegen ebenfalls einer Seneszenz, was ein Problem darstellt, wenn versucht wird, Zellkulturen für therapeutische Zwecke zu erhalten. Die von diesen Zellkulturen produzierten Biomoleküle sind für verschiedene Medikamente und Behandlungen wichtig. Sobald die Zellen jedoch in einen seneszenten Zustand gelangen, stellen sie ihre Produktion ein, und schlimmer noch, sie produzieren stattdessen Biomoleküle, die diesen Therapeutika entgegenwirken.

Zwar gibt es Methoden zur Entfernung älterer Zellen in einer Kultur, doch ist die Einfangrate gering. Anstatt ältere Zellen zu entfernen, ist es laut Ryan Miller, einem Postdoktoranden im Labor von Hyunjoon Kong (M-CELS-Leiter/EIRH/RBTE), einem Chemieprofessor, eine bessere Strategie, zu verhindern, dass die Zellen überhaupt altern und Biomolekulartechnik.

„Wir arbeiten mit mesenchymalen Stammzellen, die aus Fettgewebe gewonnen werden und Biomoleküle produzieren, die für die Therapie unerlässlich sind. Deshalb wollen wir die Zellkulturen gesund halten. Im klinischen Umfeld wäre die Konditionierung der Zellkulturen der ideale Weg, um Seneszenz zu verhindern.“ Umgebung, in der sich diese Stammzellen befinden, um den oxidativen Zustand zu kontrollieren“, sagte Miller. „Mit Antioxidantien kann man die Zellen aus diesem alternden Zustand herausholen und sie dazu bringen, sich wie eine gesunde Stammzelle zu verhalten.“

Während die Behandlung der Zellen mit Antioxidantien die Seneszenz verzögern kann, weisen aktuelle Methoden zur Verabreichung von Antioxidantien viele Mängel auf, darunter große Schwankungen in der Menge der Arzneimittelfreisetzung im Laufe der Zeit und zwischen den Zellen. Eine kürzlich veröffentlichte Studie der Labore von Kong und Hee-Sun Han (GNDP/IGOH), einem Assistenzprofessor für Chemie, mit Miller als Erstautor, beschreibt jedoch eine neue Methode zur Abgabe von Antioxidantien an Stammzellen, die zuverlässig und langanhaltend ist. dauerhaft und minimiert Abweichungen. Die Studie ist veröffentlicht in Fortschrittliche Funktionsmaterialien.

Die neue Methode nutzt Antioxidantien in Form von polymerstabilisierten Kristallen. Herkömmliche Methoden züchten Kristalle in Reaktoren, aber mithilfe der Mikrofluidik, einer Technologie, die es Forschern ermöglicht, mit unglaublich kleinen Flüssigkeitsmengen zu arbeiten, können die Forscher Kristalle erzeugen, die alle die gleiche Größe und Dosierung haben, wodurch die Schwankung der Wirkstofffreisetzung zwischen Zellen minimiert wird. „Bei der Mikrofluidik fungiert jeder Tropfen als kleiner Reaktor, sodass wir kleine, ähnlich große Einzelkristalle erhalten können, was die Schwankung der Arzneimittelfreisetzungsrate minimiert“, sagte Miller. Darüber hinaus lösen sich die Kristalle langsamer auf als bei herkömmlichen Methoden, wodurch die Freisetzung des Arzneimittels über die Zeit gleichmäßig erfolgt und die Wirkungsdauer des Arzneimittels verlängert wird.

„Wir haben gelernt, dass die geringe Variation im Freisetzungsprofil des Arzneimittels wirklich wichtig ist“, erklärte Han. „Wenn man Medikamente hinzufügt, die sich in Wasser auflösen, kommt es zu dieser Explosionsphase, in der sich viele Wirkstoffe auf einmal in der Flüssigkeit auflösen und nicht viel später. Aber der Kristall ermöglicht diese gleichmäßige, verlängerte Freisetzung, die dabei hilft, den engen Bereich des Optimums aufrechtzuerhalten.“ Konzentrationen, die nötig sind.“

„Wenn typische Antioxidantien in Wasser oder biologische Flüssigkeiten gegeben werden, verlieren sie innerhalb von sechs Stunden ihre lebenswichtige Aktivität“, beschrieb Kong. „Aber der neue Antioxidanskristall bleibt mindestens zwei Tage lang bioaktiv, sodass wir die Wirkungsdauer des Medikaments tatsächlich verlängern und auch die Häufigkeit reduzieren können, mit der wir den Zellkulturmedien Antioxidantien hinzufügen müssen. Dadurch werden die Variationen im Typ minimiert.“ der von den Stammzellen erzeugten Biomoleküle und verbessert die Reproduzierbarkeit des Produkts, was derzeit eine der größten Herausforderungen in der Bioproduktion darstellt.“

Eine längere Wirkungsdauer des Arzneimittels bedeutet, dass Stammzellkulturen länger vom Seneszenzzustand ferngehalten werden können, was zu einer größeren Ernte der für die Therapie benötigten Biomoleküle führt. Miller sagt auch, dass diese Methode für Behandlungen mit patienteneigenen Stammzellen eingesetzt werden könnte, bei denen die Biomoleküle aus dem eigenen Körper eines Patienten verwendet werden, um bei verschiedenen Gewebebeschwerden wie Verletzungen oder Krankheiten zu helfen.

„Wenn wir Biomoleküle von Spendern statt vom Patienten verwenden, kann das einen Wirtseffekt haben“, erklärte Miller. „Idealerweise würden wir Stammzellen von dem Patienten, den wir behandeln, ernten, sie in einem Bioreaktor züchten und diese Biomoleküle für das Therapeutikum ernten. Das funktioniert gut für jemanden, der 20 ist, aber wenn wir uns einen älteren Patienten vorstellen, werden sie Wir werden eine große Population dieser alternden Zellen haben, die die therapeutisch relevanten Biomoleküle nicht absondern. Wenn wir diese Zellen aus diesem Zustand herausholen und sie dazu bringen können, sich wie eine gesunde Zelle zu verhalten, können wir eine viel größere Zelle bekommen Belastung mit therapeutisch relevanten Biomolekülen für den Patienten.“

Das Team sagt, dass sie den Bioproduktionsprozess zwar weiter verbessern wollen, es aber neben der kontrollierten Abgabe von Antioxidantien an Stammzellkulturen bereits viele potenzielle Einsatzmöglichkeiten für diese Methode gibt. Die meisten Zellen erfahren eine Seneszenz, sodass diese Technik auf andere Zellkulturen angewendet werden könnte, die in der Medizin und Therapie wichtig sind. Darüber hinaus könnten die Kristalle verwendet werden, um anhaltende und kontrollierte Mengen an Antioxidantien oder möglicherweise anderen Medikamenten direkt in das Zielgewebe eines Patienten zu transportieren.

„Ich denke, das Schöne daran ist, dass es sich um eine Technologieentwicklungsarbeit handelt, die auf verschiedene hydrophile Medikamente, Krankheitsmodelle und Methodenanwendungen angewendet werden kann“, sagte Han. „Wir zeigen, dass wir eine anhaltende Freisetzung dieses Medikaments mit einer relativ konstanten Rate über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten können. Es gibt viele spannende Studien und Richtungen, die wir mit dieser Technologie verfolgen können.“