Todas as espécies, de bactérias a humanos, são capazes de se regenerar. A regeneração é mediada pelos processos moleculares que regulam a expressão gênica para controlar a renovação, restauração e crescimento dos tecidos.
Uma colaboração entre pesquisadores do Departamento de Engenharia Biomédica e da Faculdade de Medicina da Texas A&M University identifica o papel crucial dos minerais na regulação da expressão gênica, controlando assim o número de proteínas que uma célula deve produzir, estimulando assim a regeneração dos tecidos e redefinindo a identidade celular .
Esta pesquisa abre caminho para estudos futuros para identificar o papel de minerais específicos, bem como como eles podem ser reunidos para projetar a próxima geração de medicina mineral para curar tecidos danificados.
Este estudo foi recentemente publicado na Avanços da Ciência.
Os minerais são elementos inorgânicos que desempenham muitos papéis vitais, trabalhando de forma interativa com vitaminas, enzimas, hormônios e outros cofatores de nutrientes para regular milhares de funções biológicas do corpo. Embora vários minerais tenham demonstrado regular a expressão gênica e a atividade celular, muito pouco trabalho se concentrou na compreensão dos mecanismos moleculares subjacentes.
Este grupo de pesquisa em engenharia é liderado pelo Dr. Akhilesh Gaharwar, professor associado de engenharia biomédica e Presidential Impact Fellow, em colaboração com a Dra. Irtisha Singh, professora assistente no Departamento de Medicina Molecular e Celular da Texas A&M e co-autora correspondente de o estudo onde uma nova classe de nanopartículas de base mineral foi introduzida para direcionar as células-tronco humanas para as células ósseas. Essas nanopartículas são conhecidas especificamente como nanosilicatos e, com elas, a equipe é capaz de determinar o papel dos minerais na regulação dos perfis de expressão gênica para direcionar a diferenciação de células-tronco.
Esses nanosilicatos são nanopartículas minerais em forma de disco com 20 a 30 nanômetros (nm) de diâmetro e 1 a 2 nm de espessura. Essas nanopartículas são altamente biocompatíveis e são prontamente consumidas pelas células. Uma vez dentro do corpo celular, essas nanopartículas se dissolvem lentamente em minerais individuais, como silício, magnésio e lítio.
Os nanosilicatos se dissociam em minerais individuais dentro das células e ativam um conjunto de genes-chave que resultam no fluxo de informações pelas células, conhecidas como vias de sinalização. Essas vias de sinalização são responsáveis por instruir as células a assumirem funções específicas, como a conversão em outro tipo de célula ou o início do processo de cicatrização por meio da secreção de proteínas específicas do tecido conhecidas como matriz extracelular.
Essas matrizes extracelulares são compostas por várias proteínas, incluindo glicoproteínas e proteoglicanos que facilitam a cicatrização tecidual e dão suporte às funções teciduais.
Combinando técnicas interdisciplinares e métodos de engenharia biomédica e genômica, as principais autoras deste estudo, as alunas de doutorado Anna Brokesh e Lauren Cross, identificam e caracterizam genes significativos que são ativados por diferentes vias de sinalização devido ao tratamento com minerais. Uma das principais descobertas deste estudo é que minerais como silício, magnésio e lítio estão envolvidos na indução da ossificação endocondral, um processo pelo qual as células-tronco são transformadas em tecidos moles e duros, como cartilagem e osso em humanos jovens.
O Laboratório Singh, gerenciado por Singh, utiliza perturbações e ensaios funcionais de alto rendimento para dissecar os programas regulatórios funcionais em células de mamíferos.
Neste estudo, eles analisaram dados de sequenciamento transcriptômico total (RNA-seq) para avaliar o efeito de nanosilicatos e produtos de dissolução iônica nos perfis de expressão gênica de células-tronco. O RNA-seq, um ensaio de sequenciamento de alto rendimento em todo o transcriptoma, fornece uma visão geral imparcial e holística dos perfis de expressão gênica para identificar caminhos que são perturbados por tratamentos específicos.
“Muitas pessoas querem entender como os minerais afetam o corpo humano, mas há evidências limitadas para identificar como eles nos afetam no nível celular”, disse Brokesh. “Nosso estudo é um dos primeiros estudos a utilizar o sequenciamento não tendencioso em todo o transcriptoma para determinar como os íons minerais podem direcionar o destino das células-tronco”.
A abordagem proposta aborda um desafio antigo nas abordagens terapêuticas atuais que utilizam doses suprafisiológicas de fatores de crescimento para direcionar a pesquisa de tecidos. Uma dose tão alta de fatores de crescimento resulta em uma série de complicações, incluindo formação de tecido descontrolada, inflamação e tumorigênese, a produção ou formação de células tumorais. Estes limitam adversamente o uso de fatores de crescimento como agente terapêutico no campo da medicina regenerativa.
Gaharwar disse que o impacto deste trabalho é de longo alcance porque a compreensão do efeito dos minerais para alcançar a regulação desejada da atividade celular tem um forte potencial para abrir novos caminhos para o desenvolvimento de terapias clinicamente relevantes para medicina regenerativa, administração de medicamentos e imunomodulação.
Este estudo foi financiado pelo Instituto Nacional de Imagem Biomédica e Bioengenharia, pelo Instituto Nacional de Distúrbios Neurológicos e Derrame e pelo Fundo de Excelência do Presidente da Texas A&M University.
Outros autores que contribuíram para este estudo são os pesquisadores de pós-graduação Anna L. Kersey e Aparna Murali, o pesquisador de graduação Christopher Richter e o Dr. Carl Gregory, professor associado de medicina molecular e celular na Faculdade de Medicina.