Терапия травматических повреждений спинного мозга магнитными наночастицами: экспериментальные аспекты перспективной технологии

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В аналитическом обзоре предпринята попытка обобщения имеющихся данных по вопросу потенциального применения стволовых клеток, меченных магнитными наночастицами. В настоящее время эта проблема находится на экспериментальной стадии изучения, при этом имеющиеся сведения неоднородны и требуют обобщения для формирования целостного взгляда на проблему. Установлено, что магнитные наночастицы не характеризуются цитотоксичностью и значительным изменением физиологических процессов клеток, могут захватываться при помощи различных клеточных механизмов. Клетки, содержащие наночастицы, могут мигрировать (смещаться) в зависимости от плотности линий магнитного поля. У лабораторных животных с травматическим повреждением спинного мозга, которым в порядке эксперимента проводилась терапия стволовыми клетками, меченными магнитными наночастицами, было зарегистрировано статистически достоверное улучшение неврологических функций. Данные об использовании метода в клинической практике на текущий момент весьма ограничены; решение вопроса требует дальнейших исследований.

Об авторах

С. В. Колесов

ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова» Минздрава России

Автор, ответственный за переписку.
Email: dr-kolesov@yandex.ru
Россия, Москва

В. В. Швец

ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова» Минздрава России

Email: dr-kolesov@yandex.ru
Россия, Москва

М. Л. Сажнев

ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова» Минздрава России

Email: dr-kolesov@yandex.ru
Россия, Москва

А. А. Пантелеев

ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова» Минздрава России

Email: dr-kolesov@yandex.ru
Россия, Москва

Д. С. Горбатюк

ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова» Минздрава России

Email: dr-kolesov@yandex.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Talac R., Friedman J., Moore M. Animal models of spinal cord injury for evaluation of tissue engineering treatment strategies. Biomaterials. 2004;25(9):1505-10.
  2. Arbab A., Jordan E., Wilson L., Yocum G., Lewis B., Frank J.
  3. In vivo trafficking and targeted delivery of magnetically labeled stem cells. Hum Gene Ther. 2004;15(4):351-60.
  4. Song M., Kim Y., Kim Y., Roh J., Kim S, Yoon B. Using a neo- dymium magnet to target delivery of ferumoxide-labeled human neural stem cells in a rat model of focal cerebral ischemia. Hum Gene Ther. 2010;21(5):603-10.
  5. Nishida K., Tanaka N., Nakanishi K. Magnetic targeting of bone marrow stromal cells into spinal cord: through cerebrospinal fluid. Neuroreports. 2006;17(12):1269-72.
  6. Tukmachev D., Lunov O., Zablotskii V., Dejneka A., Babic M., Sykova E. et al. An effective strategy of magnetic stem cell deliv- ery for spinal cord injury therapy. Nanoscale. 2015;7(9): 3954-8.
  7. Holle A., Engler A. Cell rheology: Stressed-out stem cells. Nat Mater. 2010;9:4-6.
  8. Cho H., Choi Y., Lee D., Park H., Seo Y., Jung H. et al. Effects of magnetic nanoparticle-incorporated human bone marrow- derived mesenchymal stem cells exposed to pulsed electromag- netic fields on injured rat spinal cord. Biotechnol Appl Biochem. 2013;60(6):596-602.
  9. Cores J., Caranasos T., Cheng K. Magnetically targeted stem cell delivery for regenerative medicine. J Funct Biomater. 2015; 6:526-46.
  10. Mahmoudi M., Sant S., Wang B., Laurent S., Sen T. Superpara- magnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs): Development, surface modification and applications in chemotherapy. Adv Drug Deliv Rev. 2011;63:24-46.
  11. Sheng-nan S., Chao W., Zan-zan Z. Magnetic iron oxide nano- particles: Synthesis and surface coating techniques for biomedi- cal applications. Chin Phys. 2014;23:1-19.
  12. Umut E. Surface modification of nanoparticles used in biomedi- cal applications. Mod Surf Eng Treat. 2013;5:185-208.
  13. Tassa C., Shaw S., Weissleder R. Dextran-coated iron oxide nanoparticles: A versatile platform for targeted molecular imag- ing, molecular diagnostics, and therapy. Acc Chem Res. 2011; 44:842-52.
  14. Usher T., Walls S. Process of Making Carboxylated Dextran. Canada: SMART & BIGGAR; 2004.
  15. Yi G., Li S., Wang S., Moore R. Nanomedicine. New York: Springer; 2014.
  16. Cortajarea A., Ortega D., Ocampo S., Gonzalez-Garcia A., Cou- leaud P., Miranda R. et al. Engineering iron oxide nanoparticles for clinical settings. Nanobiomedicine; 2014.
  17. Hillaireau H., Couvreur P. Nanocarriers’ entry into the cell: Relevance to drug delivery. Cell Mol Life Sci. 2009;66:2873-96.
  18. Cheung K., Shen D., Hensley T., Middleton R., Sun B., Liu W. et al. Magnetic antibody-linked nanomatchmakers for therapeutic cell targeting. Nat Commun. 2014;5:4880.
  19. Tang J., Shen D., Zhang J., Ligler F., Cheng K. Bispecific anti- bodies, nanoparticles and cells: Bringing the right cells to get the job done. Expert Opin Biol Ther. 2015;15(9):1-5.
  20. Amemori T., Romanyuk N., Jendelova P. Human conditionally immortalized neural cells improve locomotor function after spinal cord injury in the rat. Stem Cell Res Ther. 2013;4:68.
  21. Cocks G., Romanyuk N., Amemori T. Conditionally immortalized stem cell lines from human spinal cord retain regional identity and generate functional V2a interneurons and motorneurons. Stem Cell Res Ther. 2013;4(69):110.
  22. Zablotskii V., Dejneka A., Kubinova S., Le-Roy D., Dumas- Bouchiat F. Life on Magnets: Stem Cell Networking on Micro- Magnet Arrays. PLoS One. 2013;8(8):e70416.
  23. Marcus M., Moshe K., Baranes K., Levy I., Alon N., Martel S. et al. Iron oxide nanoparticles for neuronal cell applications: uptake study and magnetic manipulations. J Nanobiotechnol- ogy. 2016;14(37):1447.
  24. Pal A., Singh A., Nag T. Iron oxide nanoparticles and magnetic field exposure promote functional recovery by attenuating free radical-induced damage in rats with spinal cord transection. Int J Nanomedicine. 2013;8:2259-72.
  25. Vanecek V., Zablotskii V., Forostyak S. Highly efficient magnetic targeting of mesenchymal stem cells in spinal cord injury. Int J Nanomedicine. 2012;7:3719-30.
  26. Chotivichit A., Ruangchainikom M., Chiewvit P. Chronic spinal cord injury treated with transplanted autologous bone marrow- derived mesenchymal stem cells tracked by magnetic resonance imaging: a case report. J Med Case Rep. 2015;9(79):111.
  27. Riggio C., Nocentini S., Catalayd M. Generation of magnetized olfactory ensheating cells for regenerative studies in the central and peripheral nervous tissue. Int J Mol Sci. 2013;14:10852-68.
  28. Margel S., Gura S. Nucleation and growth of magnetic metal oxide nanoparticles and its use. Israel; WO9962079; 2006.
  29. Nakamura M., Okano H. Cell transplantation therapies for spinal cord injury focusing on induced pluripotent stem cells. Cell Res. 2013;23:70-80.
  30. Connell J., Patrick P., Yu Y., Lythgoe M., Kalber T. Advanced cell therapies: targeting, tracking and actuation of cells with magnetic particles. Regen Med. 2015;10:757-72.
  31. Foged C., Brodin B., Frokjaer S., Sundblad A. Particle size and surface charge affect particle uptake by human dendritic cells in an in vitro model. Int J Pharmacol. 2005;298:315-22.
  32. Kim J., Lee N., Kim B., Rhee W., Yoon S., Hyeon T. et al. En- hancement of neurite outgrowth in PC-12 cells by iron oxide nanoparticles. Biomaterials. 2011;32:2871-7.
  33. Mahmoudi M., Hofmann H., Rothen-Rutishauser B., Petri-Fink A. Assessing the in vitro and in vivo toxicity of superparamagnetic iron oxide nanoparticles. Chem Rev. 2012;112:2323-38.
  34. Meng X., Seton H., Lu L., Prior I., Thanh N., Song B. Magnetic CoPt nanoparticles as MRI contrast agent for transplanted neural stem cells detection. Nanoscale. 2011;3:977-84.
  35. Taylor A., Hermann A., Moss D., Sée V., Davies K., Williams S. et al. Assessing the efficacy of nano- and micro-sized magnetic particles as contrast agents for MRI cell tracking. PLoS One. 2014;9:e100259.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Пространственное распределение клеток в магнитном поле (по V. Vaněček и соавт. [32]). Белый прямоугольник — границы магнита.а — клетки при наложении внешнего магнитного поля; б — клетки без наложения поля; в и г — увеличенные области белых квадратов в центре а и б соответственно. Масштаб: а, б — горизонтальная линия 5000 мкм; в и г — 50 мкм. Окраска: а, б — зеленый флюоресцентный белок (green fluorescent protein — GFP), в, г — берлинская лазурь (prussian blue).

Скачать (326KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Клетки линии MSC после посева на поверхность с квадратными магнитами (100×100 мкм).а — 4 ч с момента посева, б — 3 сут с момента посева. Масштаб: горизонтальная линия на рис. а — 100 мкм, б — 50 мкм. Окраска — GFP (по V. Zablotskii и соавт. [29]).

Скачать (126KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Основные принципы распределения клеток относительно линий магнитного поля. Z и Х — оси координат.F1, F2 — примеры магнитных сил, смещающих клетку к углу магнита, где находится его полюс и плотность линий поля максимальна. Синие линии на нижнем рисунке — магнитные силы, красные — направления пролиферации в сторону от якорной клетки (anchor cell) (по V. Zablotskii и соавт. [29].)

Скачать (233KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Особенности захвата различных типов магнитных наночастиц (по М. Marcus и соавт. [30]).Верхний ряд: магнетитовые частицы без покрытия; 2-й ряд: магнетитовые с крахмальным покрытием; 3-й: магнетитовые с декстрановым покрытием; 4-й: маггемитовые без покрытия. Слева и в центре — конфокальная флюоресцентная микроскопия, справа — электронная. Масштаб: горизонтальная линия — 50 нм.

Скачать (239KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Выживаемость клеток линии РС-12 после введения в среду магнитных частиц.1-й ряд: результаты для магнетитовых частиц без покрытия; 2-й ряд: магнетитовые частицы с крахмальным покрытием; 3-й ряд: магнетитовые частицы с декстрановым покрытием; 4-й ряд: маггемитовые частицы без покрытия.Примечание. * — р<0,05; ** — p<0,01 (по М. Marcus и соавт. [30]).

Скачать (207KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Изображения, полученные методом конфокальной микроскопии клеток линии РС-12 по прошествии 24 ч инкубации с маггемитовыми наночастицами без покрытия. Частицы маркированы родамином (rhodamine).a — фазово-контрастное изображение; б — флюоресцентная микроскопия; в — совмещенное изображение (по М. Marcus и соавт. [30]).

Скачать (229KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Защитный эффект магнитных наночастиц в отношении стволовых клеток, трансплантируемых с целью терапии травматических повреждений спинного мозга.Ряд а: процент выживших клеток при инкубации с различными концентрациями магнитных наночастиц. Ряд б: результат инкубации клеток с добавлением пероксида водорода (10 ммоль/мл), магнитных наночастиц (25 мкг/мл) либо их комбинации (по A. Pal и соавт. [31]).

Скачать (241KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Механизм цитопротективного действия магнитных наночастиц (по A. Pal и соавт. [31]).

Скачать (126KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Морфологические данные клеток линии РС-12 и особенности их ветвления. Данные были получены через 1, 3 и 5 сут после введения в среду магнитных наночастиц (маггемитовые без покрытия, 0,25 мг/мл); серые столбцы — группа контроля, красные — клетки с введением наночастиц.а — длина отростков в микрометрах; б — число точек ветвления; в — число отростков, локализующихся на теле клетки; г — флюоресцентно-микроскопическая картина клеток (5 сут после введения магнитных частиц). Слева — свечение антител к альфа-тубулину; в центре — флюоресцентное свечение захваченных магнитных частиц; справа — совмещенное изображение. Горизонтальная линия — 50 мкм.Примечание. * — p<0,05 (по М. Marcus и соавт. [30]).

Скачать (304KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Способность клеток к формированию потенциалов действия.а — конфокальные микроскопические изображения клеток линии SH-SY5Y по прошествии 24 ч инкубации с магнитными частицами (маггемитовые без покрытия); б — изображение первичного нейрона пиявки (primary leech neuron), конфокальная микроскопия, после 24 ч инкубации с магнитными частицами; в — данные электрофизиологических измерений первичных нейронов пиявок (по М. Marcus и соавт. [30]).

Скачать (211KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Скопления клеток обладают выраженным гипоинтенсивным сигналом (а), в отличие от результатов контрольной группы (г); б, в — гистологические срезы (окраска берлинской лазурью); д, е — аналогичные исследования в контрольной группе. Масштаб: горизонтальная линия — 100 мкм (по V. Vanecek и соавт. [32]).

Скачать (384KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Данные функционального восстановления (по T. Amemori и соавт. [27])Примечание. * — p<0,05. Tx — время трансплантации клеток.

Скачать (343KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Результаты функциональных тестов. ТРМ — контрольная группа (травма); НЧ — применение наночастиц; МП — наложение магнитного поля; МП+НЧ — комбинация факторов (по A. Pal и соавт. [31]).

Скачать (381KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Пространственное расположение клеток согласно ходу линий магнитного поля при использовании магнитов разной формы.а — плоский магнит; б — ступенчатый магнит. Места наибольшей напряженности магнитного поля обозначены красными, оранжевыми и зелеными точками; клетки схематически обозначены синими кругами. Видна неоднородность их распределения: у плоского магнита — по краям, у ступенчатого — в центре (по V. Vaněček и соавт. [32]).

Скачать (324KB)
Метаданные
16. Рис. 15. Зависимость количества клеток в очаге поражения от времени.Слева: черная линия — концентрация клеток при использовании магнита, серая — без использования магнита. Справа: сравнение математически рассчитанных и наблюдаемых в эксперименте результатов (по V. Vaněček и соавт. [32]).

Скачать (168KB)
Метаданные
17. Рис. 16. Экспериментально зафиксированные результаты количественного распределения клеток на протяжении участка поврежденного спинного мозга крысы (18 см), включая, но не ограничиваясь зоной повреждения.Пунктиром обозначена математически рассчитанная напряженность магнитного поля плоского магнита в зависимости от положения определенной точки на краниально-каудальной «оси». Большее количество клеток в каудальном отделе по сравнению с краниальным отделом объясняется техническими причинами, а именно — введением клеток путем люмбальной пункции (по V. Vaněček и соавт. [32]).

Скачать (296KB)
Метаданные
18. Рис. 17. Изображение МРТ пациента с повреждением спинного мозга (33 года) в области шейного отдела позвоночника, полученное через 1 сут после введения меченных магнитными наночастицами клеток путем люмбальной пункции.Сагиттальные Т2-взвешенные изображения позвоночника в целом (а) и фрагмента поясничного отдела (б); в — аксиальное изображение позвонка LIV. Белыми стрелками на всех изображениях отмечено накопление меченных магнитными наночастицами клеток. В шейном отделе спинного мозга клетки обнаружены не были (по A. Chotivichit и соавт. [33]).

Скачать (284KB)
Метаданные
19. Рис. 18. МРТ-изображения сегмента СI спинного мозга, полученные в различные сроки после операции:а — состояние до операции; б — 2 сут после операции; в — 2 нед; г — 1 мес, д — 7 мес. Стрелкой показан очаг накопления меченных магнитными частицами стволовых клеток, который на более поздних МР-томограммах не определяется (по A. Chotivichit и соавт. [33]).

Скачать (249KB)
Метаданные

© ООО "Эко-Вектор", 2020



Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».