Name: programming stem cells for therapeutic angiogenesis using biodegradable polymeric nanoparticles
Uploaded: 2013-09-27T16:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Programming Stem Cells for Therapeutic Angiogenesis Using Biodegradable Polymeric Nanoparticles at JoVE.com

Författarna vill tacka för American Heart Association National Scientist utveckling Grant (10SDG2600001), Stanford Bio-X Tvärvetenskap Initiative Program, och Stanford Medical Scholars forskningsprogram för finansiering.

1. Polymer Synthesis <ol><li> I ett dragskåp, väg upp 3523 mg butandioldiakrylat (Ci) och överför till en glasskintillationsflaska innehållande en omröringsstav. </li><li> Förvärm 5-amino-1-pentanol (32) till 90 ° C för att solubilisera det salt, sedan i ett dragskåp, väg upp 1533 mg 32 och lägga till i scintillationsflaska innehållande C. Denna metod resulterar i ett molförhållande C: 32 = 1:1,2. </li><li> Placera omedelbart flaskan med båda lösningarna på en uppståndelse tallrik. Ställ uppstånd...

<ol>
	<li>Deveza, L., Choi, J., Yang, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Therapeutic+angiogenesis+for+treating+cardiovascular+diseases.">Therapeutic angiogenesis for treating cardiovascular diseases.</a> Theranostics. 2, 801-814 (2012).</li><li>Yang, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Genetic+engineering+of+human+stem+cells+for+enhanced+angiogenesis+using+biodegradable+polymeric+nanoparticles.">Genetic engineering of human stem cells for enhanced angiogenesis using biodegradable polymeric nanoparticles.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 3317-3322 (2010).</li><li>Mangi, A. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mesenchymal+stem+cells+modified+with+Akt+prevent+remodeling+and+restore+performance+of+infarcted+hearts.">Mesenchymal stem cells modified with Akt prevent remodeling and restore performance of infarcted hearts.</a> Nat Med. 9, 1195-1201 (2003).</li><li>Lee, J. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhancement+of+bone+healing+based+on+ex+vivo+gene+therapy+using+human+muscle-derived+cells+expressing+bone+morphogenetic+protein+2.">Enhancement of bone healing based on ex vivo gene therapy using human muscle-derived cells expressing bone morphogenetic protein 2.</a> Hum. Gene Ther. 13, 1201-1211 (2002).</li><li>Park, K. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neural+stem+cells+may+be+uniquely+suited+for+combined+gene+therapy+and+cell+replacement:+Evidence+from+engraftment+of+Neurotrophin-3-expressing+stem+cells+in+hypoxic-ischemic+brain+injury.">Neural stem cells may be uniquely suited for combined gene therapy and cell replacement: Evidence from engraftment of Neurotrophin-3-expressing stem cells in hypoxic-ischemic brain injury.</a> Exp. Neurol. 199, 179-190 (2006).</li><li>Green, J. J., Langer, R., Anderson, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+combinatorial+polymer+library+approach+yields+insight+into+nonviral+gene+delivery.">A combinatorial polymer library approach yields insight into nonviral gene delivery.</a> Acc Chem Res. 41, 749-759 (2008).</li><li>Yang, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gene+delivery+to+human+adult+and+embryonic+cell-derived+stem+cells+using+biodegradable+nanoparticulate+polymeric+vectors.">Gene delivery to human adult and embryonic cell-derived stem cells using biodegradable nanoparticulate polymeric vectors.</a> Gene Ther. 16, 533-546 (2009).</li><li>Niiyama, H., Huang, N. F., Rollins, M. D., Cooke, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Murine+model+of+hindlimb+ischemia.">Murine model of hindlimb ischemia.</a> J. Vis. Exp. , e1035 (2009).</li><li>Ceradini, D. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Progenitor+cell+trafficking+is+regulated+by+hypoxic+gradients+through+HIF-1+induction+of+SDF-1.">Progenitor cell trafficking is regulated by hypoxic gradients through HIF-1 induction of SDF-1.</a> Nat. Med. 10, 858-864 (2004).</li><li>Kidd, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+evidence+of+mesenchymal+stem+cell+tropism+for+tumor+and+wounding+microenvironments+using+in+vivo+bioluminescent+imaging.">Direct evidence of mesenchymal stem cell tropism for tumor and wounding microenvironments using in vivo bioluminescent imaging.</a> Stem Cells. 27, 2614-2623 (2009).</li><li>Sunshine, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Small-molecule+end-groups+of+linear+polymer+determine+cell-type+gene-delivery+efficacy.">Small-molecule end-groups of linear polymer determine cell-type gene-delivery efficacy.</a> Adv. Mater. 21, 4947-4951 (2009).</li><li>Sunshine, J. C., Akanda, M. I., Li, D., Kozielski, K. L., Green, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+base+polymer+hydrophobicity+and+end-group+modification+on+polymeric+gene+delivery.">Effects of base polymer hydrophobicity and end-group modification on polymeric gene delivery.</a> Biomacromolecules. 12, 3592-3600 (2011).</li><li>Lynn, D. M., Langer, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Degradable+poly(&#946;-amino+esters):+Synthesis,+characterization,+and+self-assembly+with+plasmid+DNA.">Degradable poly(&#946;-amino esters): Synthesis, characterization, and self-assembly with plasmid DNA.</a> J. Am. Chem. Soc. 122, 10761-10768 (2000).</li><li>Eltoukhy, A. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+molecular+weight+of+amine+end-modified+poly(beta-amino+ester)s+on+gene+delivery+efficiency+and+toxicity.">Effect of molecular weight of amine end-modified poly(beta-amino ester)s on gene delivery efficiency and toxicity.</a> Biomaterials. 33, 3594-3603 (2012).</li><li>Glover, D. J., Lipps, H. J., Jans, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Towards+safe,+non-viral+therapeutic+gene+expression+in+humans.">Towards safe, non-viral therapeutic gene expression in humans.</a> Nat. Rev. Genet. 6, 299-310 (2005).</li><li>Dave, U. P., Jenkins, N. A., Copeland, N. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gene+therapy+insertional+mutagenesis+insights.">Gene therapy insertional mutagenesis insights.</a> Science. 303, 333 (2004).</li></ol>

Här rapporterar vi en metod för att programmera vuxna stamceller för att överuttrycker terapeutiska faktorer med hjälp av icke-virala, biologiskt nedbrytbara nanopartiklar. Denna plattform är speciellt användbar för behandling av sjukdomar där stamceller kan naturligtvis hem, såsom ischemi och cancer. 9-10 Dessutom tillåter icke-viral genterapiplattform för transient överuttryck av terapeutiska faktorer, som är lämplig för de flesta vävnadsregenerering och sår läkningsprocesser. Transfektio...

Det övergripande målet med denna teknik är att främja terapeutisk angiogenes med hjälp av icke-viralt programmerade stamceller överuttrycker terapeutiska faktorer på platsen för ischemi. Stamceller ändrades ex vivo först använda biologiskt nedbrytbara nanopartiklar syntetiseras i labbet, och sedan transplanteras i en musmodell av bakdelen ischemi att validera sin potential för att förbättra angiogenes och vävnads bärgning. Kontrollerad kärltillväxt är en viktig del av framgångsrik vävnadsregenerering, samt för behandling av olika ischemiska sjukdomar som stroke, ischemi och hjärtinfarkt. Flera strategier har utvecklats för att främja kärltillväxt, inklusive tillväxtfaktor leverans och cellbaserad terapi. 1 Trots effekt observerats i modeller av djursjukdomar, dessa metoder fortfarande inför begränsningar såsom behovet av suprafysiologiska doser för tillväxtfaktor leverans, eller otillräcklig parakrinsläpp med enbart celler. En potentiell strategi för att övervinna ovanstående begränsningar är att kombinera stamcellterapi och genterapi, varigenom stamceller är genetiskt programmerade ex vivo före transplantation för att överuttrycka önskvärda terapeutiska faktorer. Denna metod har visats i olika sjukdomsmodeller inklusive bakdelen ischemi 2, hjärtsjukdomar 3, benläkning 4 och nervskada 5, osv. Men de flesta genterapiteknik är beroende av virala vektorer, som är förknippade med säkerhetsproblem såsom potentiell immunogenicitet och insertionsmutationer. Biomaterial förmedlade icke-viral gen leverans kan övervinna dessa begränsningar, men ofta lider av låg transfektion effektivitet. För att påskynda upptäckten av nya biomaterial för effektiv icke-viral gen leverans, har nya studier anställda kombinatorisk kemi och high-throughput screening. Bionedbrytbara bibliotek polymer såsom poly-(β-amino esgor) (PBAE) har utvecklats och avskärmade, vilket ledde till upptäckten av ledande polymerer med markant förbättrad effektivitet transfektion jämfört med de konventionella polymera vektor motsvarigheter. 6-7 Häri beskriver vi syntesen av PBAE och kontroll av deras förmåga att transfektera adipos-härledda stamceller (ADSCs) in vitro, följt av efterföljande transplantation av genetiskt modifierade ADSCs uttrycker vaskulär endotelial tillväxtfaktor (VEGF) i en murin modell av bakbensischemi . Resultaten utvärderades genom att spåra cell öde med hjälp av mareld avbildning, bedöma vävnads reperfusion med hjälp av laser Doppler perfusion imaging (LDPI), och bestämma angiogenes och vävnads bärgning av histologi.

<table border="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td>
				Name of the Reagent</td>
			<td>
				Company</td>
			<td>
				Catalogue Number</td>
			<td>
				Comments (optional)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>
				DMEM</td>
			<td>
				Invitrogen</td>
			<td>
				11965</td>
			<td>
				&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>
				Fetal Bovine Serum</td>
			<td>
				Invitrogen</td>
			<td>
				10082</td>
			<td>
				&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>
				Penicillin/Streptomycin</td>
			<td>
				Invitrogen</td>
			<td>
				15070</td>
			<td>
				&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>
				Basic Fibroblast Growth Factor</td>
			<td>
				Peprotech</td>
			<td>
				100-18B</td>
			<td>
				&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>
				1,4-Butanediol Diacrylate (90%)</td>
			<td>
				Sigma Aldrich</td>
			<td>
				411744</td>
			<td>
				Acronym: C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>
				5-amino-1-pentanol (97%)</td>
			<td>
				Alfa Aesar</td>
			<td>
				2508-29-4</td>
			<td>
				Acronym: 32</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>
				Tetraethyleneglycoldiamine &gt;99%)</td>
			<td>
				Molecular Biosciences</td>
			<td>
				17774</td>
			<td>
				Acronym: 122</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>
				Sodium Acetate</td>
			<td>
				G-Biosciences</td>
			<td>
				R010</td>
			<td>
				&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>
				Phosphate Buffered Saline</td>
			<td>
				Invitrogen</td>
			<td>
				14190-144</td>
			<td>
				&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>
				Tetrahyofuran Anhydrous (&gt;99.9%)</td>
			<td>
				Sigma Aldrich</td>
			<td>
				401757</td>
			<td>
				&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>
				Diethyl Ether Anhydrous (&gt;99%)</td>
			<td>
				Fisher Scientific</td>
			<td>
				E138-4</td>
			<td>
				&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>
				DMSO Anhydrous (&gt;99.9%)</td>
			<td>
				Sigma Aldrich</td>
			<td>
				276855</td>
			<td>
				&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>
				Gelatin</td>
			<td>
				Sigma Aldrich</td>
			<td>
				G9391</td>
			<td>
				&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>
				Trypsin-EDTA</td>
			<td>
				Invitrogen</td>
			<td>
				25200</td>
			<td>
				&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>
				D-luciferin</td>
			<td>
				GoldBio</td>
			<td>
				&nbsp;</td>
			<td>
				&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>
				Optimal Cutting Temperature (O.C.T)</td>
			<td>
				Tissue-Tek</td>
			<td>
				4583</td>
			<td>
				&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>
				Rat anti-Mouse CD31</td>
			<td>
				BD Pharmingen</td>
			<td>
				550274</td>
			<td>
				&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>
				Alexa Fluor 594 anti-rat IgG</td>
			<td>
				Invitrogen</td>
			<td>
				A11007</td>
			<td>
				&nbsp;</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

	&nbsp;

programming stem cells for therapeutic angiogenesis using biodegradable polymeric nanoparticles

Kontrollerad vaskulär tillväxt är avgörande för framgångsrik vävnadsregenerering och sårläkning, samt för behandling av ischemiska sjukdomar som stroke, hjärtinfarkt eller perifer artärsjukdomar. Direkt leverans av angiogena tillväxtfaktorer har potential att stimulera nya blodkärl tillväxt, men är ofta förknippat med begränsningar som brist på målinriktning och kort halveringstid in vivo. Genterapi erbjuder ett alternativt tillvägagångssätt genom att leverera gener som kodar för angiogena faktorer, men ofta kräver användning av virus, och begränsas av säkerhetsskäl. Här beskriver vi en nyligen utvecklad strategi för att stimulera kärltillväxt genom programmering stamceller för att överuttrycker angiogena faktorer på plats med hjälp av biologiskt nedbrytbara polymera nanopartiklar. Specifikt vår strategi utnyttjade stamceller som leveransfordon genom att utnyttja sin förmåga att migrera mot ischemiska vävnader in vivo. Använda optimerade polymer vektorer, fett-härleddastamceller var modifierade för att överuttrycka en angiogen gen som kodar för vaskulär endotelial tillväxtfaktor (VEGF). Vi beskrev processerna för polymersyntes, nanoparticle formation, transfektera stamceller in vitro, såväl som metoder för att validera effektiviteten av VEGF-uttryckande stamceller för att befrämja angiogenes i en murin bakbensischemi-modell.

Vid blandning tillsammans, den positivt laddade polymeren (C32-122) och negativt laddade DNA-plasmiden själv monterar in i nanopartiklar. Nanopartiklar bildas kan bekräftas genom elektrofores analys dvs komplexbildning mellan C32-122 och plasmid-DNA kommer att förhindra utnyttjandet av DNA under elektrofores. Polymeren fungerar som en transfektion reagens för att underlätta förstärkt upptag av DNA in i målcellerna och efterföljande expression av kodar för proteiner (fig 2). Celler kan...

Watch this Scientific Journal Video about Programming Stem Cells for Therapeutic Angiogenesis Using Biodegradable Polymeric Nanoparticles at JoVE.com

Programming Stem Cells for Therapeutic Angiogenesis Using Biodegradable Polymeric Nanoparticles

Vi beskriver metoden för programmering stamceller för att överuttrycker terapeutiska faktorer för angiogenes använda biologiskt nedbrytbara polymera nanopartiklar. Processer beskrivs inkluderar polymersyntes, transfektera adipos-härledda stamceller in vitro, och att validera effektiviteten av programmerade stamceller för att befrämja angiogenes i en murin bakbensischemi-modell.

Programmerings stamceller i terapeutiska Angiogenes använda biologiskt nedbrytbara polymera nanopartiklar

Controlled vascular growth is critical for successful tissue regeneration and wound healing, as well as for treating ischemic diseases such as stroke, ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Formulation of Diblock Polymeric Nanoparticles through Nanoprecipitation Technique

Formulering av Diblock polymera nanopartiklar genom Nanoprecipitation Teknik

Nanotechnology is a relatively new branch of science that involves harnessing the unique properties of particles that are nanometers in scale ...

Therapeutic Gene Delivery and Transfection in Human Pancreatic Cancer Cells using Epidermal Growth Factor Receptor-targeted Gelatin Nanoparticles

Gene Delivery och Transfektion i mänskliga celler bukspottkörtelcancer med Epidermal Growth Factor Receptor-riktade Gelatin-Based Engineered Nanovectors

More than 32,000 patients are diagnosed with pancreatic cancer in the United States per year and the disease is associated with very high mortality 1. ...

Evaluation of Polymeric Gene Delivery Nanoparticles by Nanoparticle Tracking Analysis and High-throughput Flow Cytometry

Utvärdering av polymera Gene Delivery nanopartiklar genom nanopartikel Tracking Analys och hög kapacitet flödescytometri

Non-viral gene delivery using polymeric nanoparticles has emerged as an attractive approach for gene therapy to treat genetic diseases1 and as a ...

Transplantation of Induced Pluripotent Stem Cell-derived Mesoangioblast-like Myogenic Progenitors in Mouse Models of Muscle Regeneration

Transplantation av inducerad Pluripotent Stamcell-härledd Mesoangioblast-liknande Myogena föregångare i musmodeller av muskelregenerering

Patient-derived iPSCs could be an invaluable source of cells for future autologous cell therapy protocols. iPSC-derived myogenic stem/progenitor cells ...

Ordering Single Cells and Single Embryos in 3D Confinement: A New Device for High Content Screening

Beställa enskilda celler och Single Embryon i 3D Förlossning: En ny enhet för hög halt Screening

Biological cells are usually observed on flat (2D) surfaces. This condition is not physiological, and phenotypes and shapes are highly variable. Screening ...

Polymeric Microneedle Array Fabrication by Photolithography

Polymera mikronålmatris Fabrication genom fotolitografi

This manuscript describes the fabrication of polymeric microneedle (MN) arrays by photolithography. It involves a simple mold-free process by using a ...

Fabricating Superhydrophobic Polymeric Materials for Biomedical Applications

Fabricating superhydrofoba Polymera material för biomedicinska tillämpningar

Superhydrophobic materials, with surfaces possessing permanent or metastable non-wetted states, are of interest for a number of biomedical and industrial ...

Multicolor Fluorescence Detection for Droplet Microfluidics Using Optical Fibers

Multifluorescensdetektion för dropp Mikrofluidik Använda optiska fibrer

Fluorescence assays are the most common readouts used in droplet microfluidics due to their bright signals and fast time response. Applications such as ...

Flash NanoPrecipitation for the Encapsulation of Hydrophobic and Hydrophilic Compounds in Polymeric Nanoparticles

Flash NanoPrecipitation för inkapsling av hydrofoba och hydrofil föreningar i polymera nanopartiklar

The formulation of a therapeutic compound into nanoparticles (NPs) can impart unique properties. For poorly water-soluble drugs, NP formulations can ...

Uptake of New Lipid-coated Nanoparticles Containing Falcarindiol by Human Mesenchymal Stem Cells

Upptag av nya Lipid-belagd nanopartiklar som innehåller Falcarindiol av humana mesenkymala stamceller

Nanoparticles are the focus of an increased interest in drug delivery systems for cancer therapy. Lipid-coated nanoparticles are inspired in structure and ...