Figura. Model de les fases primerenques de biomineralització en què es mostra l'evolució de la localització i composició dels compostos de calci durant les fases primerenques de la diferenciació osteogènica. La figura mostra també els espectres de calci i hidroxilapatita.
Cerdanyola del Vallès, 13 de juliol de 2021. Un nou estudi revela que el calci dels ossos te el seu origen en una forma cristal·lina de carbonat de calci, probablement calcita. L’equip de recerca, format per diverses institucions italianes i el Sincrotró ALBA, va estudiar cèl·lules mare humanes durant el procés de captació de calci per transformar-se en cèl·lules d’os. Gràcies a la línia de llum MISTRAL d’ALBA es va poder crear un tomograma 3D de les cèl·lules i visualitzar deposicions de calci al seu interior. Aquest descobriment te aplicacions potencials en el desenvolupament de noves teràpies contra el càncer d’ossos.
Les cèl·lules mare són cèl·lules no especialitzades que tenen el potencial de diferenciar-se (transformar-se) en un tipus concret de cèl·lula amb una funció específica. Per convertir-se en cèl·lules d'os, les cèl·lules mare necessiten "aprendre" com captar el calci per formar els ossos. Això està relacionat amb la biomineralització, un procés mitjançant el qual els organismes vius produeixen minerals, sovint per endurir els teixits existents. Se sap que el calci es troba en els ossos en forma d'hidroxilapatita, un mineral natural format per apatita de calci que representa aproximadament el 70% de la massa dels ossos.
En les cèl·lules humanes la biomineralització culmina amb la formació d'hidroxilapatita, però el mecanisme que explica la generació a l'interior de la cèl·lula i la posterior propagació del mineral a la matriu extracel·lular segueix sense explicació. A més, la seva caracterització és molt controvertida, sobretot en humans.
Un equip d'investigació multidisciplinari, format per diverses institucions italianes i el Sincrotró ALBA, van dur a terme tècniques d'imatge basades en sincrotró per caracteritzar els continguts de les deposicions de calci en cèl·lules mare humanes induïdes a diferenciar-se en cèl·lules òssies (osteoblasts). Van comparar els resultats per cèl·lules 4 dies i 10 dies després de la inducció osteoblàstica.
Els resultats van mostrar la presència d’una forma cristal·lina de carbonat de calci, probablement calcita, en les cèl·lules mare després de 4 dies, mentre que es van trobar cristalls d'hidroxilapatita i cap deposició de calcita en les cèl·lules mare després de 10 dies. Això suggereix que la calcita és un dels precursors en el procés de biomineralització, el que significa que la formació de l'os no comença amb fosfat de calci amorf, tal com es pensava anteriorment, sinó com carbonat de calci.
Aquest descobriment té potencials aplicacions en el desenvolupament de noves teràpies contra el càncer d'ossos (osteosarcoma), utilitzant factors de diferenciació. Aquestes substàncies provoquen que les cèl·lules passin d'una forma immadura a una madura. Les cèl·lules tumorals malignes tendeixen a assumir un estat menys especialitzat o desdiferenciat, similar al de les cèl·lules mare, de manera que les teràpies basades en agents de diferenciació tenen l’objectiu d’ajudar a transformar les cèl·lules canceroses en cèl·lules més normals, i a que creixin i es multipliquin més lentament.
L'equip a càrrec de l'estudi està format per persones amb formació en física, informàtica, química, bioquímica, biologia i anatomia. Els centres col·laboradors són la Universitat de Bolonya, la Universitat de Milà, L'Institut Nacional de bioestructures i Biosistemes (Roma), el Chemical Center S.r.l (Bolonya) i la línia de llum MISTRAL del Sincrotró ALBA (Barcelona).
Tomografia de raigs-X: Un mapa 3D de les cèl·lules
Figura. (d) Renderització 3D codificada per color del nucli i les estructures denses de cèl·lules mare mesenquimals, òssies 4 dies després de la inducció osteoblàstica. Els vòxels (píxels volumètrics) de les estructures denses van ser seleccionats de forma automàtica utilitzant un llindar. Després de l'anàlisi espectral, només algunes d'aquestes estructures denses van mostrar contingut en calci. Aquests vòxels rics en calci es mostren en (e). La barra d'escala mesura 2μm. / Les imatges estan basades en microscòpia de crio absorció de raigs-x propera al vèrtex.
L'equip d'investigació va utilitzar les tècniques de crio tomografia de raigs-X tous (cryoSXT, per les sigles en anglès) i crio microscòpia d'absorció de raigs-x propera al vèrtex (cryoXANES, per les sigles en anglès) en la línia de llum MISTRAL del Sincrotró ALBA. MISTRAL permet visualitzar en 3D les cèl·lules en el seu estat natural. Gràcies a aquesta tecnologia punta, que només està disponible en altres 3 sincrotrons a tot el món, investigadors biomèdics poden dur a terme tomogrames d'una cèl·lula amb milers de vegades més resolució que un escàner TC convencional.
Aquest estudi en concret, tenia l’objectiu de localitzar i caracteritzar la fase cristal·lina i la concentració de calci en les deposicions riques en calci en la fase primerenca de biomineralització de les cèl·lules mare estudiades. La combinació d'aquestes tècniques permet estudiar la biomineralització a escala intracel·lular en cèl·lules senceres hidratades i congelades en el seu estat natiu i amb una resolució espacial de poques dècimes de nanòmetres.
La tècnica de CryoSXT consisteix a registrar projeccions 2D de transmissió de raigs-X tous sobre un detector, canviant l'orientació de la mostra pel que fa a la llum de sincrotró incident. Després, es generen mapes 3D de la mostra aplicant un algoritme de reconstrucció.
Escanejant l'energia al llarg del vèrtex d'interès, la cryoXANES aporta un espectre d'absorció píxel a píxel i pot ser explotada per determinar l'estat químic en 2D tant d'elements lleugers com pesants a la mostra.
Referència: Andrea Sorrentino, Emil Malucelli, Francesca Rossi, Concettina Cappadone, Giovanna Farruggia, Claudia Moscheni, Ana J. Perez-Berna, Jose Javier Conesa, Chiara Colletti,Norberto Roveri, Eva Pereiro and Stefano Iotti. Calcite as a Precursor of Hydroxyapatite in the Early Biomineralization of Differentiating Human Bone-Marrow Mesenchymal Stem Cells. Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 4939.DOI: https://doi.org/10.3390/ijms22094939
Amb la col·laboració de la Fundació Espanyola per a la Ciència i la Tecnologia. El Sincrotró ALBA forma part de la xarxa d'Unitats de Cultura Científica i de la Innovació (UCC+i) de la Fundació Espanyola per a la Ciència i la Tecnologia (FECYT) i ha rebut suport a través del projecte FCT-20-15798.
