Aptamer-based capture molecules as a novel tool to isolate target cells and promote cell adhesion

Abstract

Aptamers have been introduced to analytical applications, target validation, and drug discovery processes and, recently, applied directly as therapeutic agents. Aptamers can be generated by a method called SELEX (Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment). This is quite remarkable for such a young technology, which is only created in the early 1990s. Given their small size, ease of synthesis, low cost, and high specificity, aptamers provide versatile tools for validation of intracellular and extracellular targets. With a number of additional aptamers expected to enter into clinical trials over the next years, aptamers appear to make a significant contribution to the treatment of acute and chronic diseases.MSCs are one of the stem cell populations that are being introduced in the clinic for treatment of several degenerative diseases. MSC´s have several advantages including the differentiation potential and the stability of their phenotype in vitro. The use of these cells in therapy showed also promising results in phase I clinical trials. It is hoped that using stem cells in the clinic will bring major advances in the therapy of several chronic and degenerative diseases. But, due to the lack of specific phenotype, the isolation of pure MSCs is an obstacle on the application ways. The traditional method of the isolation is based on their selective adherence to plastic surfaces; other methods are based on the characteristics of MSC, using antibodies against MSCs or positive depletion of other cells, but the specificity of the antibodies are still under research.Thus, the cell populations obtained by current methods are essentially heterogeneous.We first used osteoblasts to show the proof of principle and then applied this principle on pig mesenchymal stem cells (MSC). We targeted pigMSCs and generated aptamers which can bind them with high affinity and specificity. Using these aptamers we set up a new method to isolate MSCs from bone marrow, which is quick and efficient. Than we used the fresh isolated MSCs to analyse the phenotype and found some interesting changes which may contribute to the subpopulations of MSCs. This study shows for the first time that immobilized aptamers can work as capture molecules on biomaterials to fish out the target cells from a biological mixture. This new application of aptamers will bring novel aspects of MSCs to the field of regenerative medicine and tissue engineering.

Aptamere wurden bisher für analytische Anwendungen, zur Untersuchung von Zielstrukturen und Entwicklung neuer Wirkstoffstrategien, vor kurzem auch direkt als klinisches Therapeutikum eingesetzt. Aptamere können durch die sogenannte SELEX Methode (Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment) hergestellt werden. Der therapeutische Einsatz von Aptameren ist besonders bemerkenswert, da diese noch junge Technologie erst in den frühen 90-er Jahren entwickelt wurde. Durch ihre geringe Größe, einfache und kostengünstige Herstellung sowie ihrer hohen Spezifität, stellen Aptamere ein vielseitiges Werkzeug zur Validierung intrazellulärer wie auch extrazellulärer Zielstrukturen dar. Mit einer erwarteten Vielzahl neuer Aptamere, die in den nächsten Jahren in klinischen Studien überprüft werden, könnten diese einen großen Beitrag zur Behandlung von akuten und chronischen Krankheiten leisten. Mesenchymale Stammzellen (MSC) sind eine der Stammzellpopulationen die im klinischen Bereich zur Behandlung verschiedener degenerativer Krankheiten ernsthaft in Erwägung gezogen werden. Die Vorteile von MSCs liegen u.a. in ihrem Differenzierungspotential sowie der Stabilität ihres Phänotyps in vitro. Die therapeutische Applikation dieser Zellen zeigte ebenso vielversprechende Ergebnisse in Phase I Studien. Der klinische Einsatz von Stammzellen verspricht bedeutende Fortschritte in der Therapie chronischer und degenerativer Krankheiten. Allerdings stellt der fehlende spezifische Phänotyp bei der Isolierung reiner MSCs ein Hindernis bezüglich der Anwendung dar. Der traditionelle Weg der MSC Isolierung basiert auf der selektiven Adhäsion an Plastikoberflächen; andere Methoden beruhen auf Antikörperselektion direkt gegen MSCs oder anderer Zellen zur positiven Depletion, allerdings wird die Spezifität dieser Antikörper kontrovers diskutiert. Aufgrund dessen sind Zellpopulationen, die mit Hilfe herkömmlicher Methoden isoliert werden im wesentlichen heterogen. Die Überprüfung der hier entwickelten Methode wurde mit Hilfe von Osteoblasten durchgeführt und später auf porcine MSCs übertragen. Durch die SELEX Methode konnten Aptamere mit hoher Affinität und Spezifität gewonnen werden. Durch Einsatz dieser Aptamere konnte eine neue, zeitsparende und effiziente Methode zur Isolierung von MSCs aus Knochenmark etabliert werden. Zur Untersuchung des Phänotyps wurden frisch isolierte MSCs eingesetzt und hierbei interessante Hinweise auf die Eigenschaften der MSC Subpopulationen gefunden. Diese Studie zeigte zum ersten Mal, wie immobilisierte Aptamere als Fängermoleküle auf Biomaterialien eingesetzt werden können um spezielle Zielzellen aus einem biologischen Medium herauszufischen. Dieser innovative Einsatz von Aptameren zeigt insbesondere auf den Gebieten der regenerativen Medizin und dem Tissue Engineering vollkommen neue Strategien und Zukunftsperspektiven auf.