Todas las especies, desde las bacterias hasta los humanos, son capaces de regenerarse. La regeneración está mediada por los procesos moleculares que regulan la expresión génica para controlar la renovación, restauración y crecimiento de los tejidos.
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 así la regeneración de tejidos y redefiniendo la identidad celular. .
Esta investigación allana el camino para que futuros estudios identifiquen el papel de minerales específicos, así como también cómo se pueden ensamblar para diseñar la próxima generación de medicina mineral para curar el tejido dañado.
Este estudio fue publicado recientemente en Avances de la ciencia.
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 del 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 de ingeniería está dirigido por el Dr. Akhilesh Gaharwar, profesor asociado de ingeniería biomédica y Presidential Impact Fellow, en colaboración con la Dra. Irtisha Singh, profesora asistente en el Departamento de Medicina Molecular y Celular de Texas A&M y coautora correspondiente de el estudio en el que se introdujo una nueva clase de nanopartículas a base de minerales para dirigir las células madre humanas hacia 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 células o iniciar el proceso de curación mediante la secreción de proteínas específicas de 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 interdisciplinarias y métodos de 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 principales hallazgos de este estudio es que minerales como el silicio, el magnesio y el litio participan en la inducción de la osificación endocondral, un proceso mediante el cual las células madre se transforman en tejidos blandos y duros, como el cartílago y el hueso en humanos jóvenes.
El Laboratorio Singh, administrado por Singh, aprovecha perturbaciones y ensayos funcionales de alto rendimiento para diseccionar los programas reguladores funcionales en células de mamíferos.
En este estudio, analizaron datos de secuenciación transcriptómica completa (RNA-seq) para evaluar el efecto de los nanosilicatos y los productos de disolución iónica en los perfiles de expresión génica de las células madre. RNA-seq, un ensayo de secuenciación de alto rendimiento de todo el transcriptoma, proporciona una visión general imparcial y holística de los perfiles de expresión génica para identificar vías que se ven perturbadas por tratamientos específicos.
«Hay mucha gente que quiere entender cómo los minerales impactan en el cuerpo humano, pero hay evidencia limitada 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 variedad de complicaciones, que incluyen la formación descontrolada de tejido, la inflamación y la tumorigénesis, la producción o formación de células tumorales. Estos limitan negativamente 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 desarrollar terapias clínicamente relevantes para la medicina regenerativa, la administración de fármacos y la inmunomodulación.
Este estudio fue financiado por el Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería, el Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares y el Fondo de Excelencia del Presidente de la Universidad Texas A&M.
Otros autores que contribuyeron a este estudio son los investigadores graduados Anna L. Kersey y Aparna Murali, el investigador universitario Christopher Richter y el Dr. Carl Gregory, profesor asociado de medicina molecular y celular en la Facultad de Medicina.
