Mineralien können der Schlüssel zur Heilung von geschädigtem Gewebe sein

Jede Art, vom Bakterium bis zum Menschen, ist zur Regeneration fähig. Die Regeneration wird durch die molekularen Prozesse vermittelt, die die Genexpression regulieren, um Gewebeerneuerung, -wiederherstellung und -wachstum zu kontrollieren.

Eine Zusammenarbeit zwischen Forschern des Department of Biomedical Engineering und des College of Medicine der Texas A&M University identifiziert die entscheidende Rolle von Mineralien bei der Regulierung der Genexpression, wodurch die Anzahl der Proteine ​​gesteuert wird, die eine Zelle herstellen sollte, wodurch die Geweberegeneration gefördert und die zelluläre Identität neu definiert wird .

Diese Forschung ebnet den Weg für zukünftige Studien, um die Rolle bestimmter Mineralien zu identifizieren und wie sie zusammengesetzt werden können, um die nächste Generation der Mineralmedizin zur Heilung von geschädigtem Gewebe zu entwickeln.

Diese Studie wurde kürzlich in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.

Mineralien sind anorganische Elemente, die viele lebenswichtige Rollen spielen und mit Vitaminen, Enzymen, Hormonen und anderen Nährstoff-Cofaktoren zusammenarbeiten, um Tausende von biologischen Funktionen des Körpers zu regulieren. Obwohl gezeigt wurde, dass mehrere Mineralien die Genexpression und die Zellaktivität regulieren, konzentrierte sich nur sehr wenig Arbeit auf das Verständnis der zugrunde liegenden molekularen Mechanismen.

Diese technische Forschungsgruppe wird von Dr. Akhilesh Gaharwar, außerordentlicher Professor für Biomedizintechnik und Presidential Impact Fellow, in Zusammenarbeit mit Dr. Irtisha Singh, Assistenzprofessorin in der Abteilung für Molekulare und Zelluläre Medizin bei Texas A&M und Co-korrespondierende Autorin von die Studie, in der eine neue Klasse mineralbasierter Nanopartikel eingeführt wurde, um menschliche Stammzellen zu Knochenzellen zu lenken. Diese Nanopartikel sind speziell als Nanosilikate bekannt, und mit ihnen ist das Team in der Lage, die Rolle von Mineralien bei der Regulierung von Genexpressionsprofilen zu bestimmen, um die Differenzierung von Stammzellen zu steuern.

Diese Nanosilikate sind scheibenförmige Mineral-Nanopartikel mit einem Durchmesser von 20–30 Nanometern (nm) und einer Dicke von 1–2 nm. Diese Nanopartikel sind hochgradig biokompatibel und werden von Zellen leicht gefressen. Sobald sie sich im Zellkörper befinden, lösen sich diese Nanopartikel langsam in einzelne Mineralien wie Silizium, Magnesium und Lithium auf.

Nanosilikate dissoziieren innerhalb der Zellen in einzelne Mineralien und schalten eine Reihe von Schlüsselgenen „ein“, die zu einem Informationsfluss durch die Zellen führen, die als Signalwege bekannt sind. Diese Signalwege sind dafür verantwortlich, die Zellen anzuweisen, bestimmte Funktionen zu übernehmen, wie zum Beispiel die Umwandlung in einen anderen Zelltyp oder den Beginn des Heilungsprozesses durch die Sekretion von gewebespezifischen Proteinen, die als extrazelluläre Matrix bezeichnet werden.

Diese extrazellulären Matrizen bestehen aus verschiedenen Proteinen, einschließlich Glykoproteinen und Proteoglykanen, die die Gewebeheilung erleichtern und die Gewebefunktionen unterstützen.

Die Hauptautoren dieser Studie, die Doktorandinnen Anna Brokesh und Lauren Cross, kombinieren interdisziplinäre Techniken und Methoden der Biomedizintechnik und Genomik und identifizieren und charakterisieren signifikante Gene, die aufgrund der Behandlung mit Mineralien „angeschaltet“ und durch verschiedene Signalwege aktiviert werden. Eines der wichtigsten Ergebnisse dieser Studie ist, dass Mineralien wie Silizium, Magnesium und Lithium an der Induktion der endochondralen Ossifikation beteiligt sind, einem Prozess, bei dem Stammzellen bei jungen Menschen in weiches und hartes Gewebe wie Knorpel und Knochen umgewandelt werden.

Das Singh-Labor, das von Singh geleitet wird, nutzt funktionelle Hochdurchsatz-Assays und Störungen, um die funktionellen regulatorischen Programme in Säugetierzellen zu analysieren.

In dieser Studie analysierten sie Daten der vollständigen Transkriptomsequenzierung (RNA-seq), um die Wirkung von Nanosilikaten und ionischen Auflösungsprodukten auf die Genexpressionsprofile von Stammzellen zu bewerten. RNA-seq, ein transkriptomweiter Hochdurchsatz-Sequenzierungsassay, bietet einen unvoreingenommenen und ganzheitlichen Überblick über die Genexpressionsprofile, um Signalwege zu identifizieren, die durch spezifische Behandlungen gestört werden.

„Es gibt viele Menschen, die verstehen wollen, wie Mineralien den menschlichen Körper beeinflussen, aber es gibt nur begrenzte Beweise dafür, wie sie uns auf zellulärer Ebene beeinflussen“, sagte Brokesh. „Unsere Studie ist eine der ersten Studien, die eine unvoreingenommene transkriptomweite Sequenzierung verwendet, um zu bestimmen, wie Mineralionen das Schicksal von Stammzellen steuern können.“

Der vorgeschlagene Ansatz adressiert eine seit langem bestehende Herausforderung bei aktuellen therapeutischen Ansätzen, die supraphysiologische Dosen von Wachstumsfaktoren verwenden, um die Gewebeforschung zu steuern. Eine derart hohe Dosis an Wachstumsfaktoren führt zu einer Reihe von Komplikationen, darunter unkontrollierte Gewebebildung, Entzündung und Tumorentstehung, die Produktion oder Bildung von Tumorzellen. Diese schränken die Verwendung von Wachstumsfaktoren als Therapeutikum im Bereich der regenerativen Medizin nachteilig ein.

Gaharwar sagte, die Auswirkungen dieser Arbeit seien weitreichend, da das Verständnis der Wirkung von Mineralien zur Erzielung der gewünschten Regulierung der Zellaktivität ein starkes Potenzial habe, neue Wege für die Entwicklung klinisch relevanter Therapeutika für die regenerative Medizin, die Arzneimittelabgabe und die Immunmodulation zu eröffnen.