Nieinwazyjna parametryzacja i nowa ścieżka do identyfikacji oraz śledzenia komórek macierzystych WJMSC in vitro i in vivo przy użyciu relaksometrii i dyfuzometrii LF-NMR

W pracy przeprowadzono pomiary mezenchymalnych komórek macierzystych z Galarety Whartona (WJMSC) z wykorzystaniem metod relaksometrii T1, T2 oraz dyfuzjometrii, rozwijanych we wcześniejszych badaniach [1–5]. Analizowano różne typy próbek: komórki hodowane na szalce oraz zawiesiny komórkowe, wykonując eksperymenty 1D (T1, T2, D) i 2D (T1–T2, D–T2). Zastosowano pomiary zarówno wewnątrz magnesu (0.05 T), jak i zewnętrzne – z użyciem cewki powierzchniowej w NMR-MoUSE (0.5 T). Przeprowadzono także analizę NMR opartą na symulacjach błądzenia losowego, umożliwiając określenie współczynników samodyfuzji jądra i cytozolu oraz wpływu pojedynczej warstwy komórek na efektywny współczynnik dyfuzji wody. Podejście to pozwoliło także na identyfikację ciałek apoptotycznych, nekrozy oraz zmian dyfuzji spowodowanych ściskaniem przez kolejne warstwy komórek.

Praca prezentuje nowe możliwości badania komórek in vitro, stanowiąc punkt wyjścia do dalszych badań nad parametrami NMR przydatnymi m.in. do śledzenia lokalizacji komórek macierzystych in vivo w obrazowaniu MRI oraz oceny ich właściwości ilościowych i jakościowych w zawiesinach. Szczególnie istotna jest możliwość rozróżniania różnych frakcji komórek w mieszaninach in vitro, co w przyszłości może pozwolić na odróżnienie MSC od innych typów komórek również in vivo.

Przedstawione rysunki ilustrują badane obiekty oraz wybrane techniki parametryzacji, np. mapy T1–T2. Wyzwania eksperymentalne podkreśla fakt, że analizowano zawiesiny 5 mln żywych komórek (o średnicy 15–30 μm) w 1 ml wody – z czego objętość samych komórek stanowiła jedynie ok. 2%. Uzyskane wyniki i wszechstronność analizy wskazują wysoką skuteczność technik komplementarnych LF-NMR.

Rysunek 2. Mapy korelacji z eksperymentów 2D. Mapy korelacji T1-T2 (A–C) i mapy korelacji D-T2 (D–F) dla próbek roztworów WJMSC w buforze z pikami ponumerowanymi od 1 do 3.

Referencje

1. Krzyżak A, Habina I. Low field 1H NMR characterization of mesoporous silica MCM-41 and SBA-15 filled with different amount of water. Microporous and Mesoporous Materials. 2016; 231:230–239.
   https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2016.05.032
2. Habina I, Radzik N, Topor T, Krzyżak A. Insight into oil and gas-shales compounds signatures in low field 1H NMR and its application in porosity evaluation. Microporous and Mesoporous Materials. 2017; 252:37–49.
   https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2017.05.054
3. Krzyżak AT, Habina-Skrzyniarz I, Machowski G, Mazur W. Overcoming the barriers to the exploration of nanoporous shales porosity. Microporous and Mesoporous Materials. 2020; 298:110003.
   https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2020.110003
4. Krzyżak AT, Mazur W, Matyszkiewicz J, Kochman A. Identification of Proton Populations in Cherts as Natural Analogues of Pure Silica Materials by Means of Low Field NMR. The Journal of Physical Chemistry C. 2020.
   https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.9b11790
5. Mazur W, Krzyżak AT. Attempts at the Characterization of In-Cell Biophysical Processes Non-Invasively—Quantitative NMR Diffusometry of a Model Cellular System. Cells. 2020; 9:2124.
   https://doi.org/10.3390/cells9092124
6. Krzyżak AT, Habina-Skrzyniarz I, Mazur W, Sułkowski M, Kot M, Majka M. Nuclear magnetic resonance footprint of Wharton Jelly mesenchymal stem cells death mechanisms and distinctive in-cell biophysical properties in vitro. J Cell Mol Med. 2022; 26:1–14.
   https://doi.org/10.1111/jcmm.17178