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Microfluidic Buffer Exchange for Interference-free Micro/Nanoparticle Cell Engineering

Engineering cells with active-ingredient-loaded micro/nanoparticles (NPs) is becoming an increasingly popular method to enhance native therapeutic ...

Nanyang Technological University

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In recent years, the potential of stem cell research for tissue engineering-based therapies and regenerative medicine clinical applications has become well established. In 2006, Chung pioneered the first entire organ transplant using adult stem cells and a scaffold for clinical evaluation. With this a new milestone was achieved, with seven patients with myelomeningocele receiving stem cell-derived bladder transplants resulting in substantial improvements in their quality of life. While a bladder is a relatively simple organ, the breakthrough highlights the incredible benefits that can be gained from the cross-disciplinary nature of tissue engineering and regenerative medicine (TERM) that encompasses stem cell research and stem cell bioprocessing. Unquestionably, the development of bioprocess technologies for the transfer of the current laboratory-based practice of stem cell tissue culture to the clinic as therapeutics necessitates the application of engineering principles and practices to achieve control, reproducibility, automation, validation and safety of the process and the product. The successful translation will require contributions from fundamental research (from developmental biology to the 'omics' technologies and advances in immunology) and from existing industrial practice (biologics), especially on automation, quality assurance and regulation. The timely development, integration and execution of various components will be critical-failures of the past (such as in the commercialization of skin equivalents) on marketing, pricing, production and advertising should not be repeated. This review aims to address the principles required for successful stem cell bioprocessing so that they can be applied deftly to clinical applications.

Stem cell bioprocessing: fundamentals and principles.

Ces derni&#xE8;res ann&#xE9;es, le potentiel de recherche sur les cellules souches pour g&#xE9;nie tissulaire &#xE0; base de th&#xE9;rapies et d&#x26;#39;applications en m&#xE9;decine r&#xE9;g&#xE9;n&#xE9;rative cliniques est d&#xE9;sormais bien &#xE9;tablie. En 2006, Chung pionnier de la transplantation d&#x26;#39;organe ensemble du premier en utilisant des cellules souches adultes et un &#xE9;chafaudage pour l&#x26;#39;&#xE9;valuation clinique. Avec ce une nouvelle &#xE9;tape a &#xE9;t&#xE9; r&#xE9;alis&#xE9;e, avec sept patients atteints de my&#xE9;lom&#xE9;ningoc&#xE8;le recevant une greffe de souches d&#xE9;riv&#xE9;es de cellules de la vessie r&#xE9;sultant des am&#xE9;liorations substantielles dans leur qualit&#xE9; de vie. Alors que la vessie est un organe relativement simple, la perc&#xE9;e met en &#xE9;vidence les avantages incroyables qui peuvent &#xEA;tre tir&#xE9;s de la nature interdisciplinaire de l&#x26;#39;ing&#xE9;nierie tissulaire et la m&#xE9;decine r&#xE9;g&#xE9;n&#xE9;rative (TERM) qui englobe la recherche sur les cellules souches et des bioproc&#xE9;d&#xE9;s de cellules souches. Incontestablement, le d&#xE9;veloppement des technologies de bioproc&#xE9;d&#xE9;s pour le transfert du courant de laboratoire pratique fond&#xE9;e sur la culture de tissus sur les cellules souches &#xE0; la clinique en tant qu&#x26;#39;agents th&#xE9;rapeutiques n&#xE9;cessite l&#x26;#39;application de principes d&#x26;#39;ing&#xE9;nierie et les pratiques pour parvenir &#xE0; un contr&#xF4;le, la reproductibilit&#xE9;, l&#x26;#39;automatisation, la validation et la s&#xE9;curit&#xE9; du processus et le produit. La traduction r&#xE9;ussie requiert des contributions de la recherche fondamentale (&#xE0; partir de la biologie du d&#xE9;veloppement &#xE0; des technologies en &#xAB;-omique des des et des progr&#xE8;s de l&#x26;#39;immunologie) et de la pratique industrielle existante (produits biologiques), en particulier sur l&#x26;#39;automatisation, l&#x26;#39;assurance qualit&#xE9; et de la r&#xE9;glementation. Le d&#xE9;veloppement rapide, l&#x26;#39;int&#xE9;gration et l&#x26;#39;ex&#xE9;cution des diff&#xE9;rentes composantes seront critiques sur les d&#xE9;faillances du pass&#xE9; (comme dans la commercialisation d&#x26;#39;&#xE9;quivalents de peau) sur le marketing, la tarification, la production et la publicit&#xE9; ne doit pas &#xEA;tre r&#xE9;p&#xE9;t&#xE9;. Cet examen vise &#xE0; r&#xE9;pondre aux principes n&#xE9;cessaires &#xE0; la biotransformation de cellules souches r&#xE9;ussie de sorte qu&#x26;#39;ils peuvent &#xEA;tre appliqu&#xE9;s habilement &#xE0; des applications cliniques.

Tige bioproc&#xE9;d&#xE9;s Cellulaire: Fondements et principes

In den letzten Jahren hat das Potenzial der Stammzellenforschung f&uuml;r Gewebe Technik basierenden Therapien und regenerative Medizin klinische Anwendungen gut etabliert. Im Jahr 2006 Pionier Chung die erste ganze Organ-Transplantation mit adulten Stammzellen und ein Ger&uuml;st f&uuml;r klinische Bewertung. Mit diesem wurde ein neuer Meilenstein erreicht, mit sieben Patienten mit Myelomeningozele Erhalt Stammzellen Cell-derived Blase-Transplantationen, was zu erheblichen Verbesserungen in der Lebensqualit&auml;t. W&auml;hrend der Harnblase ein relativ einfaches Organ ist, unterstreicht der Durchbruch die unglaublichen Leistungen, die aus der interdisziplin&auml;ren Natur der Gewebe-engineering und regenerativer Medizin (TERM) gewonnen werden k&ouml;nnen, die Stammzellenforschung und Stammzellen bioprocessing umfasst. Zweifellos, die Entwicklung der Bioprozess-Technologien f&uuml;r die &Uuml;bertragung der aktuellen Labor-basierte Praxis der Gewebekultur Stammzellen in die Klinik als Therapeutika erfordert die Anwendung von ingenieurwissenschaftlichen Prinzipien und Praktiken, Kontrolle, Reproduzierbarkeit, Automatisierung, Validierung und Sicherheit des Prozesses und das Produkt zu erreichen. Die erfolgreiche &Uuml;bersetzung erfordert Beitr&auml;ge aus der Grundlagenforschung (von Entwicklungsbiologie zu &#39;Omics&#39; Technologien und Fortschritte in der Immunologie) und aus vorhandenen industriellen Praxis (Biologics), vor allem auf Automatisierung, Qualit&auml;tssicherung und Regulierung. Die rechtzeitige Entwicklung, Integration und Ausf&uuml;hrung verschiedener Komponenten werden kritische Fehler der Vergangenheit (z. B. die Kommerzialisierung der Haut-&auml;quivalente) auf Marketing, Preise, Produktion und Werbung sollte nicht wiederholt werden. Diese Bewertung soll adressieren die Grunds&auml;tze, die f&uuml;r die erfolgreiche Stammzelle bioprocessing, so dass sie geschickt zu klinischen Anwendungen angewendet werden k&ouml;nnen.

Stammzellen bioprocessing: Grundlagen und Prinzipien.

Negli ultimi anni, il potenziale di ricerca sulle cellule staminali per la terapia basata sull&#39;ingegneria dei tessuti e applicazioni cliniche di medicina rigenerativa &egrave; diventata ben consolidato. Nel 2006, Chung ha sperimentato il primo trapianto di organo intero utilizzando cellule staminali adulte e un patibolo per valutazione clinica. Con questo un nuovo traguardo &egrave; stato raggiunto, con sette pazienti con mielomeningocele ricevuto trapianti di cellule staminali derivate della vescica causando notevoli miglioramenti nella loro qualit&agrave; di vita. Mentre una vescica &egrave; un organo relativamente semplice, la svolta evidenzia gli incredibili benefici che possono essere acquisiti dalla natura interdisciplinare del tessuto rigenerativa e ingegneria medicina (termine) che comprende la ricerca sulle cellule staminali e cellule staminali bioprocessing. Senza dubbio, lo sviluppo di tecnologie di bioprocess per il trasferimento della pratica corrente basata sul laboratorio di coltura delle cellule staminali del tessuto alla clinica come terapia richiede l&#39;applicazione di principi e pratiche di ingegneria per realizzare il controllo, riproducibilit&agrave;, automazione, validazione e sicurezza del processo e del prodotto. La traduzione di successo richiede contributi di ricerca fondamentale (dalla biologia dello sviluppo a &#39;omics&#39; tecnologie e progressi in immunologia) e da pratiche industriali esistenti (biologici), specialmente su automazione, garanzia di qualit&agrave; e regolamento. Il tempestivo sviluppo, integrazione ed esecuzione dei vari componenti sar&agrave; critico-fallimenti del passato (ad esempio la commercializzazione di equivalenti di pelle) sul marketing, sui prezzi, la produzione e la pubblicit&agrave; non deve essere ripetuti. Questa rassegna si propone di affrontare i principi necessari per il successo delle cellule staminali bioprocessing cos&igrave; che possono essere applicate con destrezza per applicazioni cliniche.

Cellule staminali bioprocessing: fondamenti e principi.

&#x8FD1;&#x5E74;&#x3001;&#x7D44;&#x7E54;&#x5DE5;&#x5B66;&#x30D9;&#x30FC;&#x30B9;&#x306E;&#x6CBB;&#x7642;&#x3068;&#x518D;&#x751F;&#x533B;&#x7642;&#x81E8;&#x5E8A;&#x5FDC;&#x7528;&#x306E;&#x305F;&#x3081;&#x306E;&#x5E79;&#x7D30;&#x80DE;&#x7814;&#x7A76;&#x306E;&#x53EF;&#x80FD;&#x6027;&#x306F;&#x5341;&#x5206;&#x306B;&#x78BA;&#x7ACB;&#x3055;&#x306B;&#x306A;&#x3063;&#x3066;&#x3044;&#x307E;&#x3059;&#x3002; 2006&#x5E74;&#x306B;&#x3001;&#x912D;&#x306F;&#x3001;&#x81E8;&#x5E8A;&#x8A55;&#x4FA1;&#x306E;&#x305F;&#x3081;&#x306E;&#x6210;&#x4F53;&#x5E79;&#x7D30;&#x80DE;&#x3068;&#x8DB3;&#x5834;&#x3092;&#x4F7F;&#x7528;&#x3057;&#x3066;&#x3001;&#x6700;&#x521D;&#x306E;&#x5168;&#x4F53;&#x306E;&#x81D3;&#x5668;&#x79FB;&#x690D;&#x3092;&#x958B;&#x62D3;&#x3057;&#x3066;&#x304D;&#x307E;&#x3057;&#x305F;&#x3002;&#x3053;&#x308C;&#x306B;&#x3088;&#x308A;&#x65B0;&#x305F;&#x306A;&#x30DE;&#x30A4;&#x30EB;&#x30B9;&#x30C8;&#x30FC;&#x30F3;&#x306F;&#x3001;&#x810A;&#x9AC4;&#x9AC4;&#x819C;&#x7624;&#x306F;&#x3001;&#x751F;&#x6D3B;&#x306E;&#x8CEA;&#x306E;&#x5927;&#x5E45;&#x306A;&#x6539;&#x5584;&#x306E;&#x7D50;&#x679C;&#x3001;&#x5E79;&#x7D30;&#x80DE;&#x7531;&#x6765;&#x306E;&#x8180;&#x80F1;&#x79FB;&#x690D;&#x3092;&#x53D7;&#x3051;&#x3066;&#x3044;&#x308B;7&#x4EBA;&#x306E;&#x60A3;&#x8005;&#x3067;&#x9054;&#x6210;&#x3055;&#x308C;&#x305F;&#x3002;&#x8180;&#x80F1;&#x306F;&#x6BD4;&#x8F03;&#x7684;&#x5358;&#x7D14;&#x306A;&#x81D3;&#x5668;&#x3067;&#x3059;&#x304C;&#x3001;&#x753B;&#x671F;&#x7684;&#x306A;&#x5E79;&#x7D30;&#x80DE;&#x7814;&#x7A76;&#x3001;&#x5E79;&#x7D30;&#x80DE;&#x30D0;&#x30A4;&#x30AA;&#x30D7;&#x30ED;&#x30BB;&#x30B9;&#x3092;&#x5305;&#x542B;&#x3059;&#x308B;&#x7D44;&#x7E54;&#x5DE5;&#x5B66;&#x3068;&#x518D;&#x751F;&#x533B;&#x7642;&#x306E;&#x5B66;&#x969B;&#x7684;&#x306A;&#x6027;&#x8CEA;&#xFF08;TERM&#xFF09;&#x304B;&#x3089;&#x5F97;&#x308B;&#x3053;&#x3068;&#x304C;&#x3067;&#x304D;&#x308B;&#x4FE1;&#x3058;&#x3089;&#x308C;&#x306A;&#x3044;&#x307B;&#x3069;&#x306E;&#x30E1;&#x30EA;&#x30C3;&#x30C8;&#x3092;&#x5F37;&#x8ABF;&#x3057;&#x3066;&#x3044;&#x307E;&#x3059;&#x3002;&#x7D1B;&#x308C;&#x3082;&#x306A;&#x304F;&#x3001;&#x6CBB;&#x7642;&#x85AC;&#x3068;&#x3057;&#x3066;&#x306E;&#x8A3A;&#x7642;&#x6240;&#x306B;&#x5E79;&#x7D30;&#x80DE;&#x306E;&#x7D44;&#x7E54;&#x57F9;&#x990A;&#x306E;&#x73FE;&#x5728;&#x306E;&#x5B9F;&#x9A13;&#x5BA4;&#x30D9;&#x30FC;&#x30B9;&#x306E;&#x7DF4;&#x7FD2;&#x3092;&#x8EE2;&#x9001;&#x3059;&#x308B;&#x305F;&#x3081;&#x306E;&#x30D0;&#x30A4;&#x30AA;&#x30D7;&#x30ED;&#x30BB;&#x30B9;&#x6280;&#x8853;&#x306E;&#x958B;&#x767A;&#x306F;&#x3001;&#x30D7;&#x30ED;&#x30BB;&#x30B9;&#x306E;&#x5236;&#x5FA1;&#x6027;&#x3001;&#x518D;&#x73FE;&#x6027;&#x3001;&#x81EA;&#x52D5;&#x5316;&#x3001;&#x691C;&#x8A3C;&#x3001;&#x5B89;&#x5168;&#x6027;&#x3092;&#x9054;&#x6210;&#x3059;&#x308B;&#x305F;&#x3081;&#x306B;&#x3001;&#x5DE5;&#x5B66;&#x306E;&#x539F;&#x7406;&#x3068;&#x5B9F;&#x8DF5;&#x306E;&#x30A2;&#x30D7;&#x30EA;&#x30B1;&#x30FC;&#x30B7;&#x30E7;&#x30F3;&#x3092;&#x5FC5;&#x8981;&#x3068;&#x3057;&#x3001;&#x88FD;&#x54C1;&#x3002;&#x6210;&#x529F;&#x3057;&#x305F;&#x7FFB;&#x8A33;&#x306F;&#x3001;&#x57FA;&#x790E;&#x7814;&#x7A76;&#x304B;&#x3089;&#x306E;&#x8CA2;&#x732E;&#x3092;&#x5FC5;&#x8981;&#x3068;&#x3059;&#x308B;&#xFF08;&#x767A;&#x751F;&#x751F;&#x7269;&#x5B66;&#x304B;&#x3089;&#x514D;&#x75AB;&#x5B66;&#x306E; &#x26;quot;&#x30AA;&#x30DF;&#x30AF;&#x30B9;&#x26;quot;&#x6280;&#x8853;&#x3068;&#x9032;&#x6B69;&#xFF09;&#x3068;&#x65E2;&#x5B58;&#x306E;&#x7523;&#x696D;&#x306E;&#x5B9F;&#x8DF5;&#xFF08;&#x751F;&#x7269;&#x88FD;&#x5264;&#xFF09;&#x304B;&#x3089;&#x3001;&#x7279;&#x306B;&#x81EA;&#x52D5;&#x5316;&#x3001;&#x54C1;&#x8CEA;&#x4FDD;&#x8A3C;&#x3068;&#x898F;&#x5236;&#x306B;&#x306A;&#x308A;&#x307E;&#x3059;&#x3002;&#x30BF;&#x30A4;&#x30E0;&#x30EA;&#x30FC;&#x306B;&#x958B;&#x767A;&#x3001;&#x7D71;&#x5408;&#x3001;&#x69D8;&#x3005;&#x306A;&#x30B3;&#x30F3;&#x30DD;&#x30FC;&#x30CD;&#x30F3;&#x30C8;&#x306E;&#x5B9F;&#x884C;&#x304C;&#x7E70;&#x308A;&#x8FD4;&#x3055;&#x308C;&#x308B;&#x3079;&#x304D;&#x3067;&#x306F;&#x306A;&#x3044;&#x3001;&#x30DE;&#x30FC;&#x30B1;&#x30C6;&#x30A3;&#x30F3;&#x30B0;&#x3001;&#x4FA1;&#x683C;&#x3001;&#x751F;&#x7523;&#x3001;&#x5E83;&#x544A;&#x306E;&#x904E;&#x53BB;&#x306E;&#x30AF;&#x30EA;&#x30C6;&#x30A3;&#x30AB;&#x30EB;&#x306E;&#x969C;&#x5BB3;&#xFF08;&#x4F8B;&#x3048;&#x3070;&#x3001;&#x76AE;&#x819A;&#x306E;&#x7B49;&#x4FA1;&#x7269;&#x306E;&#x5546;&#x696D;&#x5316;&#x306E;&#x3088;&#x3046;&#x306B;&#xFF09;&#x306B;&#x306A;&#x308A;&#x307E;&#x3059;&#x3002;&#x3053;&#x306E;&#x30EC;&#x30D3;&#x30E5;&#x30FC;&#x306F;&#x3001;&#x305D;&#x308C;&#x3089;&#x304C;&#x81E8;&#x5E8A;&#x5FDC;&#x7528;&#x306B;&#x5DE7;&#x307F;&#x306B;&#x9069;&#x7528;&#x3059;&#x308B;&#x3053;&#x3068;&#x304C;&#x3067;&#x304D;&#x308B;&#x3088;&#x3046;&#x306B;&#x3001;&#x6210;&#x529F;&#x3057;&#x305F;&#x5E79;&#x7D30;&#x80DE;&#x306E;&#x30D0;&#x30A4;&#x30AA;&#x30D7;&#x30ED;&#x30BB;&#x30B9;&#x306B;&#x5FC5;&#x8981;&#x306A;&#x539F;&#x5247;&#x306B;&#x5BFE;&#x51E6;&#x3059;&#x308B;&#x3053;&#x3068;&#x3092;&#x76EE;&#x6307;&#x3057;&#x3066;&#x3044;&#x307E;&#x3059;&#x3002;

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&#xC904;&#xAE30; &#xC138;&#xD3EC; bioprocessing: &#xAE30;&#xBCF8;&#xACFC; &#xC6D0;&#xCE59;.

En los &#xFA;ltimos a&#xF1;os, el potencial de la investigaci&#xF3;n con c&#xE9;lulas madre para la ingenier&#xED;a de tejidos a base de terapias de medicina regenerativa y las aplicaciones cl&#xED;nicas se ha convertido en bien establecido. En 2006, Chung fue pionero en el primer trasplante de &#xF3;rgano entero con c&#xE9;lulas madre adultas y un andamio para la evaluaci&#xF3;n cl&#xED;nica. Con esta un nuevo hito se alcanz&#xF3;, con siete pacientes con mielomeningocele recibir las c&#xE9;lulas madre derivadas de los trasplantes de vejiga como resultado mejoras sustanciales en su calidad de vida. Mientras que la vejiga es un &#xF3;rgano relativamente simple, destaca el avance de los incre&#xED;bles beneficios que pueden obtenerse de la naturaleza interdisciplinaria de la ingenier&#xED;a de tejidos y medicina regenerativa (t&#xE9;rmino) que abarca la investigaci&#xF3;n con c&#xE9;lulas madre y bioprocesos con c&#xE9;lulas madre. Sin lugar a dudas, el desarrollo de las tecnolog&#xED;as de bioprocesos para la transferencia de la corriente de laboratorio basado en la pr&#xE1;ctica del cultivo de tejidos de c&#xE9;lulas madre a la cl&#xED;nica como terap&#xE9;utica requiere la aplicaci&#xF3;n de los principios de ingenier&#xED;a y pr&#xE1;cticas para lograr el control, la reproducibilidad, la automatizaci&#xF3;n, la validaci&#xF3;n y la seguridad del proceso y el producto. La traducci&#xF3;n exitosa requerir&#xE1; la contribuci&#xF3;n de la investigaci&#xF3;n fundamental (de la biolog&#xED;a del desarrollo a las tecnolog&#xED;as &#x26;quot;&#xF3;micas de las y los avances en inmunolog&#xED;a) y de la pr&#xE1;ctica industrial existente (biol&#xF3;gicos), especialmente en la automatizaci&#xF3;n, control de calidad y regulaci&#xF3;n. El oportuno desarrollo, integraci&#xF3;n y ejecuci&#xF3;n de diversos componentes ser&#xE1;n cr&#xED;ticos de los fracasos del pasado (como en la comercializaci&#xF3;n de equivalentes de piel) en la comercializaci&#xF3;n, fijaci&#xF3;n de precios, la producci&#xF3;n y la publicidad no debe repetirse. Esta revisi&#xF3;n tiene como objetivo abordar los principios necesarios para el &#xE9;xito de bioprocesos con c&#xE9;lulas madre para que puedan ser aplicadas con habilidad a las aplicaciones cl&#xED;nicas.

Stem Cell Bioprocesamiento: Fundamentos y Principios

Assessing biodistribution, fate, and function of implanted therapeutic cells in preclinical animal experiments is critical to realize safe, effective and efficient treatments for subsequent implementation within the clinic. Currently, tissue histology, the most prevalent analytical technique to meet this need, is limited by end-point analysis, high cost and long preparation time. Moreover, it is disadvantaged by an inability to monitor in real-time, qualitative interpretation and ethical issues arising from animal sacrifice. While genetic engineering techniques allow cells to express molecules with detectable signals (e.g., fluorescence, luminescence, T1 (spin-lattice)/T2 (spin-spin) contrast in magnetic resonance imaging, radionuclide), concerns arise regarding technical complexity, high-cost of genetic manipulation, as well as mutagenic cell dysfunction. Alternatively, cells can be labeled using nanoparticle-sensors-nanosensors that emit signals to identify cell location, status and function in a simple, cost-effective, and non-genetic manner. This review article provides the definition, classification, evolution, and applications of nanosensor technology and focuses on how they can be utilized in regenerative medicine. Several examples of direct applications include: (1) monitoring post-transplantation cell behavior, (2) revealing host response following foreign biomaterial implantation, and (3) optimization of cell bioprocess operating conditions. Incorporating nanosensors is expected to expedite the development of cell-based regenerative medicine therapeutics.

Nanosensors for regenerative medicine.

Engineering cells with active-ingredient-loaded micro/nanoparticles is becoming increasingly popular for imaging and therapeutic applications. A critical yet inadequately addressed issue during its implementation concerns the significant number of particles that remain unbound following the engineering process, which inadvertently generate signals and impart transformative effects onto neighboring nontarget cells. Here we demonstrate that those unbound micro/nanoparticles remaining in solution can be efficiently separated from the particle-labeled cells by implementing a fast, continuous, and high-throughput Dean flow fractionation (DFF) microfluidic device. As proof-of-concept, we applied the DFF microfluidic device for buffer exchange to sort labeled suspension cells (THP-1) from unbound fluorescent dye and dye-loaded micro/nanoparticles. Compared to conventional centrifugation, the depletion efficiency of free dyes or particles was improved 20-fold and the mislabeling of nontarget bystander cells by free particles was minimized. The microfluidic device was adapted to further accommodate heterogeneous-sized mesenchymal stem cells (MSCs). Complete removal of unbound nanoparticles using DFF led to the usage of engineered MSCs without exerting off-target transformative effects on the functional properties of neighboring endothelial cells. Apart from its effectiveness in removing free particles, this strategy is also efficient and scalable. It could continuously process cell solutions with concentrations up to 10(7) cells·mL(-1) (cell densities commonly encountered during cell therapy) without observable loss of performance. Successful implementation of this technology is expected to pave the way for interference-free clinical application of micro/nanoparticle engineered cells.

Interference-free Micro/nanoparticle Cell Engineering by Use of High-Throughput Microfluidic Separation.

Assessing mesenchymal stem cell (MSC) differentiation status is crucial to verify therapeutic efficacy and optimize treatment procedures. Currently, this involves destructive methods including antibody-based protein detection and polymerase chain reaction gene analysis, or laborious and technically challenging genetic reporters. Development of noninvasive methods for real-time differentiation status assessment can greatly benefit MSC-based therapies. This report introduces a nanoparticle-based sensing platform that encapsulates two molecular beacon (MB) probes within the same biodegradable polymeric nanoparticles. One MB targets housekeeping gene glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) as an internal reference, while another detects alkaline phosphatase (ALP), a functional biomarker. Following internalization, MBs are gradually released as the nanoparticle degrades. GAPDH MBs provide a stable reference signal throughout the monitoring period (18 days) regardless of differentiation induction. Meanwhile, ALP mRNA undergoes well-defined dynamics with peak expression observed during early stages of osteogenic differentiation. By normalizing ALP-MB signal with GAPDH-MB, changes in ALP expression can be monitored, to noninvasively validate osteogenic differentiation. As proof-of-concept, a dual-colored nanosensor is applied to validate MSC osteogenesis on 2D culture and polycaprolactone films containing osteo-inductive tricalcium phospate.

Article	Year
Stem cell bioprocessing: fundamentals and principles. Journal of the Royal Society, Interface / the Royal Society\| PubMed ID: 19033137	2009
Nanosensors for regenerative medicine. Journal of biomedical nanotechnology\| PubMed ID: 25992416	2014
Interference-free Micro/nanoparticle Cell Engineering by Use of High-Throughput Microfluidic Separation. ACS applied materials & interfaces\| PubMed ID: 26355568	2015
Nanosensors for Continuous and Noninvasive Monitoring of Mesenchymal Stem Cell Osteogenic Differentiation. Small (Weinheim an der Bergstrasse, Germany)\| PubMed ID: 26756453	2016

David C. Yeo

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