从细菌到人类，每个物种都能够再生。再生由调节基因表达的分子过程介导，以控制组织的更新、恢复和生长。

德克萨斯A&M大学生物医学工程系和医学院的研究人员合作，确定了矿物质在调节基因表达方面的关键作用，从而控制细胞应该制造的蛋白质数量，从而鼓励组织再生并重新定义细胞身份。

这项研究为未来的研究铺平了道路，以确定特定矿物质的作用，以及如何将它们组装起来，以设计下一代矿物药物来治愈受损组织。

这项研究最近发表在科学进展。

矿物质是无机元素，发挥着许多重要作用，与维生素、酶、激素和其他营养辅因子相互作用，调节身体的数千种生物功能。虽然几种矿物质已被证明可以调节基因表达和细胞活性，但很少有人专注于理解潜在的分子机制。

该工程研究小组由生物医学工程副教授和总统影响力研究员Akhilesh Gaharwar博士领导，与德克萨斯A&M大学分子和细胞医学系助理教授Irtisha Singh博士合作，Irtisha Singh博士是该研究的通讯作者，该研究引入了一种新的矿物基纳米粒子，以引导人类干细胞向骨细胞分化。这些纳米颗粒被称为纳米二氧化硅，通过它们，研究小组能够确定矿物质在调节基因表达谱以指导干细胞分化方面的作用。

这些纳米二氧化硅是直径为20-30纳米、厚度为1-2纳米的盘状矿物纳米颗粒。这些纳米粒子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，这些纳米粒子就会慢慢溶解到硅、镁和锂等单独的矿物质中。

纳米二氧化硅在细胞内分解成单独的矿物质，并“开启”一组关键基因，这些基因导致信息在细胞内流动，称为信号通路。这些信号通路负责指导细胞承担特定的功能，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来启动愈合过程。

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及基因组学方法，这项研究的主要作者，博士生Anna Brokesh和Lauren Cross，确定并表征了由于矿物处理而被不同信号通路打开和激活的重要基因。这项研究的一个主要发现是，硅、镁和锂等矿物质参与诱导软骨内骨化，这是一个干细胞转化为年轻人软骨和骨等软硬组织的过程。

由Singh管理的Singh实验室利用高通量功能检测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，提供了基因表达谱的无偏见和全面的概述，以确定被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，但很少有证据表明它们如何在细胞水平上影响我们，”Brokesh说。“我们的研究是第一个利用无偏见的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的一个长期挑战，即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，因为了解矿物质对细胞活动实现预期调节的影响，有很大的潜力为开发再生医学、药物输送和免疫调节的临床相关疗法开辟新途径。