每个物种，从细菌到人类，都能够再生。再生是由调节基因表达以控制组织更新、恢复和生长的分子过程介导的。
德克萨斯AM大学生物医学工程系和医学院的研究人员确定了矿物质在调节基因表达中的关键作用，从而控制细胞应该制造的蛋白质数量，从而促进组织再生和重新定义细胞特性。
这项研究为未来研究确定特定矿物质的作用以及如何组装它们以设计下一代矿物质药物来治愈受损组织铺平了道路。该研究成果发表在最近一期的《科学进展》上。
基因集富集分析图，由用纳米硅酸盐及其离子溶解产物处理的不同hMSC的相互连接的基因集组成
矿物质是扮演许多重要角色的无机元素，与维生素、酶、激素和其他营养辅助因子相互作用，以调节身体的数千种生物功能。尽管有几种矿物质已被证明可以调节基因表达和细胞活性，但很少有工作专注于了解潜在的分子机制。
该工程研究小组由生物医学工程副教授AkhileshGaharwar博士领导，与德克萨斯AM分子和细胞医学系助理教授IrtishaSingh博士合作，共同通讯作者该研究引入了一种新的基于矿物质的纳米颗粒，已将人类干细胞引导至骨细胞。这些纳米颗粒被称为纳米硅酸盐，研究小组通过它们确定矿物质在调节基因表达以及在指导干细胞分化中的作用。
这些纳米硅酸盐是直径为20-30纳米(nm)、厚度为1-2纳米的圆盘状矿物纳米颗粒。这些纳米颗粒具有高度的生物相容性，很容易被细胞吞噬。一旦进入细胞体，这些纳米颗粒就会慢慢溶解成单独的矿物质，如硅、镁和锂。
纳米硅酸盐在细胞内分解成单独的矿物质，并“打开”一组关键基因，这些基因导致信息在整个细胞中流动，称为信号通路。这些信号通路负责指导细胞承担特定功能，例如转化为另一种类型的细胞或通过分泌称为细胞外基质的组织特异性蛋白质开始愈合过程。
这些细胞外基质由各种蛋白质组成，包括促进组织愈合和支持组织功能的糖蛋白和蛋白聚糖。
结合跨学科技术和生物医学工程和基因组学方法，本研究的主要作者、博士生AnnaBrokesh和LaurenCross识别并表征了由于矿物质处理而被不同信号通路“开启”和激活的重要基因。这项研究的主要发现之一是硅、镁和锂等矿物质参与诱导软骨内骨化，这是一个将干细胞转化为年轻人的软组织和硬组织（如软骨和骨骼）的过程。
Singh管理的Singh实验室利用高通量功能测定和扰动来剖析哺乳动物细胞中的功能调节程序。
在这项研究中，他们分析了全转录组测序(RNA-seq)数据，以评估纳米硅酸盐和离子溶解产物对干细胞基因表达谱的影响。RNA-seq是一种转录组范围的高通量测序分析，可提供基因表达谱的公正和整体概述，以识别受特定治疗干扰的途径。
“有很多人想了解矿物质如何影响人体，但确定它们如何在细胞水平上影响我们的证据有限，”Brokesh说。“我们的研究是首批利用无偏转录组测序来确定矿物离子如何指导干细胞命运的研究之一。”
所提出的方法解决了当前治疗方法中长期存在的挑战，这些方法利用超生理剂量的生长因子来指导组织研究。如此高剂量的生长因子会导致一系列并发症，包括不受控制的组织形成、炎症和肿瘤发生、肿瘤细胞的产生或形成。这些不利地限制了生长因子在再生医学领域中作为治疗剂的使用。
Gaharwar说，这项工作的影响是深远的，因为了解矿物质对实现所需的细胞活动调节的作用，为开发再生医学、药物输送和免疫调节的临床相关疗法开辟新途径具有强大潜力。