Mọi loài, từ vi khuẩn đến con người, đều có khả năng tái sinh. Quá trình tái tạo được thực hiện qua trung gian là các quá trình phân tử điều chỉnh biểu hiện gen để kiểm soát quá trình đổi mới, phục hồi và tăng trưởng của mô.
Sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu tại Khoa Kỹ thuật Y sinh và Đại học Y khoa tại Đại học Texas A&M xác định vai trò quan trọng của khoáng chất trong việc điều chỉnh biểu hiện gen, do đó kiểm soát số lượng protein mà tế bào nên tạo ra, từ đó khuyến khích tái tạo mô và xác định lại bản sắc tế bào.
>> Tham khảo: Chip nano silicon có thể điều trị mất cơ do chấn thương.
Nghiên cứu này mở đường cho các nghiên cứu trong tương lai để xác định vai trò của các khoáng chất cụ thể, cũng như cách chúng có thể được lắp ráp để thiết kế thế hệ thuốc khoáng tiếp theo nhằm chữa lành các mô bị tổn thương.
Nghiên cứu này gần đây đã được công bố trên tạp chí Science Advances.
Khoáng chất là các nguyên tố vô cơ đóng nhiều vai trò quan trọng, hoạt động tương tác với các vitamin, enzym, hormone và các đồng yếu tố dinh dưỡng khác để điều chỉnh hàng ngàn chức năng sinh học của cơ thể. Mặc dù một số khoáng chất đã được chứng minh là điều chỉnh biểu hiện gen và hoạt động của tế bào, nhưng rất ít công việc tập trung vào việc tìm hiểu các cơ chế phân tử cơ bản.
Nhóm nghiên cứu kỹ thuật này được dẫn dắt bởi Tiến sĩ Akhilesh Gaharwar, phó giáo sư kỹ thuật y sinh và Ủy viên Tác động của Tổng thống, phối hợp với Tiến sĩ Irtisha Singh, trợ lý giáo sư tại Khoa Y học Phân tử và Tế bào tại Texas A&M và đồng tác giả tương ứng của nghiên cứu trong đó một loại hạt nano dựa trên khoáng chất mới đã được giới thiệu để hướng các tế bào gốc của con người tới các tế bào xương.
>> Tham khảo: Hiểu biết về xeri có thể giúp nâng cao khả năng lưu trữ năng lượng ở quy mô lưới điện.
Các hạt nano này được gọi cụ thể là nanosilicate và với chúng, nhóm nghiên cứu có thể xác định vai trò của khoáng chất trong việc điều chỉnh cấu hình biểu hiện gen để định hướng quá trình biệt hóa tế bào gốc.
Các nanosilicat này là các hạt nano khoáng chất hình đĩa có đường kính 20-30 nanomet (nm) và độ dày 1-2 nm. Những hạt nano này có tính tương thích sinh học cao và dễ dàng bị các tế bào ăn hết. Khi đã ở trong cơ thể tế bào, các hạt nano này từ từ hòa tan thành các khoáng chất riêng lẻ như silicon, magiê và lithium.
Nanosilicate phân tách thành các khoáng chất riêng lẻ bên trong tế bào và “bật” một tập hợp các gen quan trọng dẫn đến luồng thông tin đi khắp các tế bào, được gọi là đường truyền tín hiệu. Các đường truyền tín hiệu này chịu trách nhiệm hướng dẫn các tế bào đảm nhận các chức năng cụ thể, chẳng hạn như chuyển đổi thành một loại tế bào khác hoặc bắt đầu quá trình chữa bệnh bằng cách tiết ra các protein đặc hiệu của mô được gọi là ma trận ngoại bào.
Các chất nền ngoại bào này bao gồm nhiều loại protein khác nhau, bao gồm glycoprotein và proteoglycan tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chữa lành mô và hỗ trợ các chức năng của mô.
>> Tham khảo: Các con đập có thể đóng một vai trò lớn trong việc nuôi sống thế giới bền vững hơn.
Kết hợp các kỹ thuật liên ngành và kỹ thuật y sinh và phương pháp gen, các tác giả chính của nghiên cứu này, nghiên cứu sinh tiến sĩ Anna Brokesh và Lauren Cross, xác định và mô tả các gen quan trọng được “bật” và kích hoạt bằng các con đường truyền tín hiệu khác nhau do xử lý bằng khoáng chất.
Một trong những phát hiện chính của nghiên cứu này là các khoáng chất như silicon, magie và liti có liên quan đến việc tạo cốt hóa nội sụn, một quá trình mà các tế bào gốc được biến đổi thành các mô mềm và cứng như sụn và xương ở người trẻ tuổi.
Phòng thí nghiệm Singh, do Singh quản lý, tận dụng các xét nghiệm chức năng thông lượng cao và nhiễu loạn để phân tích các chương trình điều tiết chức năng trong tế bào động vật có vú.
Trong nghiên cứu này, họ đã phân tích toàn bộ dữ liệu giải trình tự phiên mã (RNA-seq) để đánh giá tác động của nanosilicat và các sản phẩm hòa tan ion đối với cấu hình biểu hiện gen của tế bào gốc. RNA-seq, một thử nghiệm giải trình tự thông lượng cao trên toàn bộ phiên mã, cung cấp một cái nhìn tổng quan và khách quan về cấu hình biểu hiện gen để xác định các con đường bị nhiễu bởi các phương pháp điều trị cụ thể.
Brokesh cho biết: “Có rất nhiều người muốn hiểu khoáng chất tác động đến cơ thể con người như thế nào, nhưng có rất ít bằng chứng để xác định chúng ảnh hưởng đến chúng ta như thế nào ở cấp độ tế bào”. “Nghiên cứu của chúng tôi là một trong những nghiên cứu đầu tiên sử dụng trình tự toàn bộ phiên mã không thiên vị để xác định làm thế nào các ion khoáng chất có thể định hướng số phận của tế bào gốc.”
>> Tham khảo: Công cụ chỉnh sửa gen có thể được sử dụng theo những cách bổ sung mạnh mẽ trong tế bào người.
Phương pháp được đề xuất giải quyết một thách thức lâu dài trong các phương pháp trị liệu hiện tại sử dụng liều siêu sinh lý của các yếu tố tăng trưởng để nghiên cứu mô trực tiếp.
Một lượng lớn các yếu tố tăng trưởng như vậy dẫn đến một loạt các biến chứng, bao gồm hình thành mô không kiểm soát được, viêm và phát sinh khối u, sản xuất hoặc hình thành các tế bào khối u. Những điều này hạn chế bất lợi việc sử dụng các yếu tố tăng trưởng như một tác nhân trị liệu trong lĩnh vực y học tái tạo.
Gaharwar cho biết tác động của công việc này là rất sâu rộng vì hiểu được tác dụng của khoáng chất để đạt được sự điều hòa mong muốn đối với hoạt động của tế bào có tiềm năng mạnh mẽ để mở ra những con đường mới để phát triển các phương pháp trị liệu phù hợp về mặt lâm sàng đối với y học tái tạo, vận chuyển thuốc và điều hòa miễn dịch.
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Viện Hình ảnh Y sinh và Kỹ thuật Sinh học Quốc gia, Viện Rối loạn Thần kinh và Đột quỵ Quốc gia và Quỹ Xuất sắc của Chủ tịch Đại học Texas A&M.
Các tác giả khác đã đóng góp cho nghiên cứu này là các nhà nghiên cứu cao học Anna L. Kersey và Aparna Murali, nhà nghiên cứu chưa tốt nghiệp Christopher Richter, và Tiến sĩ Carl Gregory, phó giáo sư về y học phân tử và tế bào tại Đại học Y khoa.
