Washington: Una colaboración entre investigadores del Departamento de Ingeniería Biomédica y la Facultad de Medicina de la Universidad Texas A&M identifica el papel crucial de los minerales en la regulación de la expresión génica, controlando así la cantidad de proteínas que debe producir una célula, fomentando la regeneración de tejidos y redefiniendo la identidad.
Esta investigación allana el camino para que futuros estudios identifiquen el papel de minerales específicos, así como también cómo pueden combinarse para diseñar la próxima generación de medicina mineral para curar tejidos dañados. Este estudio fue publicado recientemente en la revista Science Advances.
Los minerales son elementos inorgánicos que desempeñan muchas funciones vitales, trabajando de manera interactiva con vitaminas, enzimas, hormonas y otros cofactores de nutrientes para regular miles de funciones biológicas en el cuerpo. Aunque se ha demostrado que varios minerales regulan la expresión génica y la actividad celular, muy pocos trabajos se han centrado en comprender los mecanismos moleculares subyacentes.
Este grupo de investigación en ingeniería está dirigido por el Dr. Akhilesh Gaharwar, Profesor Asociado de Ingeniería Biomédica y Becario de Impacto Presidencial, en colaboración con el Dr. donde se introdujo una nueva clase de nanopartículas a base de minerales para dirigir las células madre humanas a las células óseas. Estas nanopartículas se conocen específicamente como nanosilicatos y, con ellas, el equipo puede determinar el papel de los minerales en la regulación de los perfiles de expresión génica para dirigir la diferenciación de las células madre.
Estos nanosilicatos son nanopartículas minerales en forma de disco de 20-30 nanómetros (nm) de diámetro y 1-2 nm de espesor. Estas nanopartículas son altamente biocompatibles y las células las consumen fácilmente. Una vez dentro del cuerpo celular, estas nanopartículas se disuelven lentamente en minerales individuales como el silicio, el magnesio y el litio.
Los nanosilicatos se disocian en minerales individuales dentro de las células y activan un conjunto de genes clave que dan como resultado el flujo de información a través de las células, conocidas como vías de señalización. Estas vías de señalización son responsables de instruir a las células para que asuman funciones específicas, como convertirse en otro tipo de célula o iniciar el proceso de curación a través de la secreción de proteínas específicas del tejido conocidas como matriz extracelular.
Estas matrices extracelulares están compuestas por varias proteínas, incluidas glicoproteínas y proteoglucanos que facilitan la cicatrización de los tejidos y apoyan las funciones de los tejidos.
Combinando técnicas y métodos interdisciplinarios de la ingeniería biomédica y genómica, las autoras principales de este estudio, las estudiantes de doctorado Anna Brokesh y Lauren Cross, identifican y caracterizan genes significativos que se «activan» y activan mediante diferentes vías de señalización debido al tratamiento con minerales. Uno de los hallazgos clave de este estudio es que minerales como el silicio, el magnesio y el litio participan en la inducción de la osificación endocondral, el proceso mediante el cual las células madre se transforman en tejidos blandos y duros, como cartílagos y huesos en humanos jóvenes.
El Laboratorio Singh, dirigido por Singh, utiliza perturbaciones y ensayos funcionales de alto rendimiento para diseccionar los programas reguladores funcionales en células de mamíferos.
En este estudio, analizaron datos completos de secuenciación transcriptómica (RNA-seq) para evaluar el efecto de los nanosilicatos y los productos de disolución iónica en los perfiles de expresión génica de células madre. RNA-seq, un ensayo de secuenciación de todo el transcriptoma de alto rendimiento, proporciona una descripción general imparcial y holística de los perfiles de expresión génica para identificar vías que se ven perturbadas por tratamientos específicos.
«Mucha gente quiere entender cómo afectan los minerales al cuerpo humano, pero hay pruebas limitadas para identificar cómo nos afectan a nivel celular», dijo Brokesh. «Nuestro estudio es uno de los primeros en utilizar la secuenciación imparcial de todo el transcriptoma para determinar cómo los iones minerales pueden dirigir el destino de las células madre».
El enfoque propuesto aborda un desafío de larga data en los enfoques terapéuticos actuales que utilizan dosis suprafisiológicas de factores de crecimiento para dirigir la investigación de tejidos. Una dosis tan alta de factores de crecimiento da como resultado una serie de complicaciones, que incluyen la formación descontrolada de tejido, la inflamación y la tumorigénesis, y la producción o formación de células tumorales. Estos limitan adversamente el uso de factores de crecimiento como agente terapéutico en el campo de la medicina regenerativa.
Gaharwar dijo que el impacto de este trabajo es de gran alcance porque comprender el efecto de los minerales para lograr la regulación deseada de la actividad celular tiene un gran potencial para abrir nuevas vías para el desarrollo de terapias clínicamente relevantes para la medicina regenerativa, la administración de fármacos y la inmunomodulación.
