هر گونه جاندار، از باکتری گرفته تا انسان، قادر به بازسازی است. بازسازی توسط فرآیندهای مولکولی انجام می‌شود که بیان ژن را برای کنترل نوسازی، ترمیم و رشد بافت تنظیم می‌کنند.

همکاری بین محققان دپارتمان مهندسی زیست پزشکی و کالج پزشکی در دانشگاه A&M تگزاس آمریکا، نقش حیاتی مواد معدنی را در تنظیم بیان ژن، در نتیجه کنترل تعداد پروتئین‌هایی که یک سلول باید بسازد، شناسایی می‌کند و در نتیجه بازسازی بافت را ترغیب و هویت سلولی را بازتعریف می‌کند.

این تحقیق راه را برای مطالعات آینده در شناسایی نقش مواد معدنی خاص و نیز چگونگی مونتاژ آنها در طراحی نسل بعدی داروهای معدنی برای بهبود بافت آسیب دیده هموار می‌کند.

مواد معدنی، عناصر معدنی هستند که نقش‌های حیاتی زیادی ایفا می‌کنند و به‌طور متقابل با ویتامین‌ها، آنزیم‌ها، هورمون‌ها و سایر کوفاکتورهای مغذی برای تنظیم هزاران عملکرد بیولوژیکی بدن کار می‌کنند. اگرچه نشان داده شده است که چندین ماده معدنی بیان ژن و فعالیت سلولی را تنظیم می‌کنند، تحقیقات بسیار کمی به درک مکانیسم‌های مولکولی زیربنایی توجه کرده‌اند.

این گروه تحقیقاتی مهندسی توسط دکتر آخیلش گهاروار، دانشیار مهندسی زیست پزشکی با همکاری دکتر ایرتیشا سینگ، استادیار دپارتمان پزشکی مولکولی و سلولی در تگزاس A&M هدایت شده است. دکتر سینگ، محقق همکار تحقیقی است که در آن دسته جدیدی از نانوذرات مبتنی بر مواد معدنی برای هدایت سلول‌های بنیادی انسان در جهت سلول‌های استخوانی معرفی کرده است.

این نانوذرات به‌طور خاص به‌عنوان نانو سیلیکات شناخته می‌شوند و گروه تحقیقاتی با استفاده از آنها قادر به تعیین نقش مواد معدنی در تنظیم نیمرخ‌های بیان ژن برای هدایت تمایز سلول‌های بنیادی است.

این نانو سیلیکات‌ها، نانوذرات معدنی دیسک شکلی با قطر ۲۰ تا ۳۰ نانومتر (nm) و ضخامت یک تا دو نانومتر هستند. این نانوذرات بسیار زیست سازگار بوده و به‌راحتی توسط سلول‌ها خورده می‌شوند. هنگامی‌که این نانوذرات وارد جسم سلولی و به آرامی در مواد معدنی منفرد مانند سیلیکون، منیزیم و لیتیوم حل می‌شوند.

نانوسیلیکات‌ها به مواد معدنی منفرد در داخل سلول‌ها تجزیه می‌شوند و مجموعه‌ای از ژن‌های کلیدی را «روشن» می‌کنند که منجر به جریان اطلاعاتی در سراسر سلول‌ها می‌شود که به‌عنوان مسیرهای علامت‌دهی شناخته می‌شوند. این مسیرهای علامت‌دهی مسئول دستور دادن به سلول‌ها برای انجام عملکردهای خاصی مانند تبدیل به نوع دیگری از سلول‌ها یا شروع فرآیند بهبودی با ترشح پروتئین‌های خاص بافتی به‌نام ماتریکس خارج سلولی هستند.

این ماتریکس‌های خارج سلولی از پروتئین‌های مختلفی از جمله گلیکوپروتئین‌ها و پروتئوگلیکان‌ها تشکیل شده‌اند که ترمیم بافت را تسهیل و از عملکرد بافت پشتیبانی می‌کنند.

با ترکیب فنون بین رشته‌ای و مهندسی زیست‌پزشکی و روش‌های بررسی توالی و کمیت ژنی(ژنومیکس)، محققان اصلی این تحقیق، دانشجویان دکتری آنا بروکش و لورن کراس، ژن‌های مهمی را شناسایی و مشخص کردند که به‌دلیل درمان با مواد معدنی توسط مسیرهای علامت‌دهی مختلف «روشن» و فعال می‌شوند. یکی از یافته‌های اصلی این تحقیق این است که مواد معدنی مانند سیلیکون، منیزیم و لیتیوم در القای استخوان‌سازی درون‌غضروفی نقش دارند، فرآیندی که طی آن سلول‌های بنیادی به بافت‌های نرم و سخت مانند غضروف و استخوان در انسان‌های جوان تبدیل می‌شوند.

در این تحقیق، آنان داده‌های توالی‌یابی کامل رونویسی (RNA-seq) را برای ارزیابی اثر نانوسیلیکات‌ها و محصولات انحلال یونی بر نیمرخ‌ بیان ژن سلول‌های بنیادی تجزیه و تحلیل کردند.

توالی‌یابی اران‌آ، یک روش توالی‌یابی با توان بالا در مجموعه‌ای از مولکول‌های اران‌آی پیام‌رسان ( mRNA ) یا رونوشت‌هایی است که در یک سلول یا در جمعیتی از سلول‌ها بیان می‌شود، این روش یک نمای کلی بی‌طرفانه و جامع از نیمرخ‌های بیان ژن برای شناسایی مسیرهایی که توسط درمان‌های خاص مختل می‌شوند، ارائه می‌دهد.

بروکش گفت: افراد زیادی هستند که می‌خواهند بفهمند مواد معدنی چگونه بر بدن انسان تاثیر می‌گذارند اما شواهد محدودی برای شناسایی تاثیر آنها در سطح سلولی وجود دارد. تحقیق ما یکی از اولین تحقیقاتی است که از توالی‌یابی بی‌طرفانه در سراسر رونوشت برای تعیین نحوه هدایت سرنوشت سلول‌های بنیادی توسط یون‌های معدنی استفاده می‌کند.

روش پیشنهادی به یک چالش طولانی‌مدت در رویکردهای درمانی فعلی که از دوزهای فوق فیزیولوژیکی فاکتورهای رشد برای هدایت تحقیقات بافتی استفاده می‌کنند، می‌پردازد. چنین دوز بالایی از فاکتورهای رشد منجر به طیف وسیعی از عوارض از جمله تشکیل بافت کنترل‌نشده، التهاب و تومورزایی یعنی تولید یا تشکیل سلول‌های تومور می‌شود. این موارد، استفاده از فاکتورهای رشد را به‌عنوان یک عامل درمانی در زمینه پزشکی بازساختی به‌طرز نامطلوبی محدود می‌کند.

گهاروار اظهار کرد که تاثیر این کار بسیار گسترده است زیرا درک تاثیر مواد معدنی برای دستیابی به تنظیم مطلوب فعالیت سلولی دارای پتانسیل قوی برای باز کردن راه‌های جدید در توسعه درمان‌های مرتبط بالینی برای پزشکی بازساختی، دارورسانی و تنظیم ایمنی است.

یافته‌های این تحقیق به‌تازگی  در Science Advances منتشر شده است.