วอชิงตัน: ความร่วมมือระหว่างนักวิจัยในภาควิชาวิศวกรรมชีวการแพทย์และวิทยาลัยแพทยศาสตร์มหาวิทยาลัยเท็กซัส A&M ระบุบทบาทสำคัญของแร่ธาตุในการควบคุมการแสดงออกของยีน ซึ่งควบคุมจำนวนโปรตีนที่เซลล์ควรสร้างขึ้น ซึ่งจะช่วยส่งเสริมการสร้างเนื้อเยื่อใหม่และกำหนดเซลล์ใหม่ ตัวตน.

งานวิจัยนี้เป็นการปูทางสำหรับการศึกษาในอนาคตเพื่อระบุบทบาทของแร่ธาตุจำเพาะ รวมทั้งวิธีการประกอบเพื่อออกแบบยาแร่รุ่นต่อไปเพื่อรักษาเนื้อเยื่อที่เสียหาย การศึกษานี้ได้รับการตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้ใน Science Advances

แร่ธาตุเป็นองค์ประกอบอนินทรีย์ที่มีบทบาทสำคัญหลายอย่าง โดยทำงานโต้ตอบกับวิตามิน เอนไซม์ ฮอร์โมน และปัจจัยร่วมทางโภชนาการอื่นๆ เพื่อควบคุมการทำงานทางชีววิทยาของร่างกายนับพัน แม้ว่าจะมีการแสดงแร่ธาตุหลายชนิดเพื่อควบคุมการแสดงออกของยีนและกิจกรรมของเซลล์ แต่มีงานน้อยมากที่เน้นไปที่การทำความเข้าใจกลไกระดับโมเลกุล

กลุ่มวิจัยด้านวิศวกรรมนี้นำโดย Dr Akhilesh Gaharwar รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวการแพทย์และ Presidential Impact Fellow โดยความร่วมมือกับ Dr Irtisha Singh ผู้ช่วยศาสตราจารย์ภาควิชาเวชศาสตร์ระดับโมเลกุลและเซลล์ที่ Texas A&M และผู้เขียนร่วมของการศึกษา ซึ่งมีการแนะนำอนุภาคนาโนชนิดใหม่ที่มีแร่ธาตุเป็นหลักเพื่อนำเซลล์ต้นกำเนิดของมนุษย์ไปสู่เซลล์กระดูก อนุภาคนาโนเหล่านี้เป็นที่รู้จักโดยเฉพาะในชื่อนาโนซิลิเกต และด้วยทีมงานเหล่านี้ ทีมงานจึงสามารถกำหนดบทบาทของแร่ธาตุในการควบคุมโปรไฟล์การแสดงออกของยีนเพื่อกำหนดความแตกต่างของเซลล์ต้นกำเนิดได้โดยตรง

นาโนซิลิเกตเหล่านี้มีลักษณะเป็นอนุภาคแร่-อนุภาคนาโนที่มีรูปร่างเป็นแผ่น มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20-30 นาโนเมตร (นาโนเมตร) และมีความหนา 1-2 นาโนเมตร อนุภาคนาโนเหล่านี้สามารถเข้ากันได้ทางชีวภาพสูงและสามารถกินได้โดยเซลล์ เมื่อเข้าไปในร่างกายของเซลล์ อนุภาคนาโนเหล่านี้จะค่อยๆ ละลายเป็นแร่ธาตุแต่ละชนิด เช่น ซิลิกอน แมกนีเซียม และลิเธียม

นาโนซิลิเกตแยกตัวเป็นแร่ธาตุแต่ละชนิดภายในเซลล์และ “เปิด” ชุดยีนสำคัญที่ส่งผลให้ข้อมูลไหลเวียนไปทั่วเซลล์ เรียกว่าเส้นทางการส่งสัญญาณ เส้นทางการส่งสัญญาณเหล่านี้มีหน้าที่สั่งสอนเซลล์ให้ทำหน้าที่เฉพาะ เช่น เปลี่ยนเป็นเซลล์ประเภทอื่นหรือเริ่มกระบวนการบำบัดด้วยการหลั่งโปรตีนจำเพาะเนื้อเยื่อที่เรียกว่าเมทริกซ์นอกเซลล์

เมทริกซ์นอกเซลล์เหล่านี้ประกอบด้วยโปรตีนหลายชนิด รวมทั้งไกลโคโปรตีนและโปรตีโอไกลแคนที่ช่วยในการรักษาเนื้อเยื่อและสนับสนุนการทำงานของเนื้อเยื่อ

การผสมผสานเทคนิคสหวิทยาการและวิศวกรรมชีวการแพทย์และวิธีการเกี่ยวกับจีโนม ผู้เขียนนำของการศึกษานี้ นักศึกษาระดับปริญญาเอก Anna Brokesh และ Lauren Cross ระบุและจำแนกลักษณะยีนที่สำคัญที่ “เปิด” และเปิดใช้งานโดยเส้นทางการส่งสัญญาณที่แตกต่างกันเนื่องจากการรักษาด้วยแร่ธาตุ ผลการวิจัยที่สำคัญอย่างหนึ่งของการศึกษานี้คือแร่ธาตุต่างๆ เช่น ซิลิกอน แมกนีเซียม และลิเธียม มีส่วนร่วมในการกระตุ้นการสร้างกระดูกเอนโดคอนดรอล ซึ่งเป็นกระบวนการที่เซลล์ต้นกำเนิดจะเปลี่ยนเป็นเนื้อเยื่ออ่อนและแข็ง เช่น กระดูกอ่อนและกระดูกในมนุษย์อายุน้อย

ห้องปฏิบัติการ Singh ซึ่งจัดการโดย Singh ใช้ประโยชน์จากการทดสอบและการรบกวนที่มีปริมาณงานสูงเพื่อวิเคราะห์โปรแกรมควบคุมการทำงานในเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม

ในการศึกษานี้ พวกเขาวิเคราะห์ข้อมูลการจัดลำดับการถอดรหัส (RNA-seq) ทั้งหมดเพื่อประเมินผลของนาโนซิลิเกตและผลิตภัณฑ์การละลายไอออนิกต่อโปรไฟล์การแสดงออกของยีนของเซลล์ต้นกำเนิด RNA-seq ซึ่งเป็นการทดสอบการจัดลำดับปริมาณงานที่มีปริมาณงานสูงทั่วทั้งทรานสคริปต์ ให้ภาพรวมที่เป็นกลางและเป็นองค์รวมของโปรไฟล์การแสดงออกของยีนเพื่อระบุเส้นทางที่ถูกรบกวนโดยการรักษาเฉพาะ

“มีคนจำนวนมากที่ต้องการทำความเข้าใจว่าแร่ธาตุส่งผลต่อร่างกายมนุษย์อย่างไร แต่มีหลักฐานจำกัดที่ระบุว่าแร่ธาตุเหล่านี้ส่งผลต่อเราในระดับเซลล์อย่างไร” Brokesh กล่าว “การศึกษาของเราเป็นหนึ่งในการศึกษาแรกๆ ที่ใช้การจัดลำดับของทรานสคริปโตมกว้างๆ อย่างเป็นกลาง เพื่อกำหนดว่าไอออนของแร่จะกำหนดชะตากรรมของเซลล์ต้นกำเนิดได้อย่างไร”

แนวทางที่เสนอนี้กล่าวถึงความท้าทายที่มีมายาวนานในแนวทางการรักษาในปัจจุบันซึ่งใช้ปริมาณปัจจัยการเจริญเติบโตทางสรีรวิทยาเพื่อควบคุมการวิจัยเนื้อเยื่อโดยตรง ปริมาณโกรทแฟกเตอร์ที่สูงเช่นนี้ส่งผลให้เกิดภาวะแทรกซ้อนต่างๆ ซึ่งรวมถึงการสร้างเนื้อเยื่อที่ไม่สามารถควบคุมได้ การอักเสบและการเกิดเนื้องอก และการผลิตหรือการก่อตัวของเซลล์เนื้องอก สิ่งเหล่านี้ส่งผลเสียต่อการใช้ปัจจัยการเจริญเติบโตในฐานะตัวแทนการรักษาในด้านเวชศาสตร์ฟื้นฟู

Gaharwar กล่าวว่าผลกระทบของงานนี้เป็นเรื่องที่กว้างขวางเนื่องจากการทำความเข้าใจผลกระทบของแร่ธาตุเพื่อให้เกิดการควบคุมกิจกรรมของเซลล์ที่ต้องการมีศักยภาพที่แข็งแกร่งในการเปิดหนทางใหม่ ๆ สำหรับการพัฒนาการรักษาที่เกี่ยวข้องทางคลินิกสำหรับยาปฏิรูป การนำส่งยา และการปรับภูมิคุ้มกัน