Explorando o papel da matriz lipídico-proteica-mineral na biomineralização óssea: uma abordagem biofísica empregando-se filmes automontados

• Processo: 17/20846-2
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Vigência (Início): 01 de fevereiro de 2018
• Vigência (Término): 31 de março de 2023
• Área do conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Química - Físico-química
• Pesquisador responsável: Ana Paula Ramos
• Beneficiário: Marcos Antonio Eufrásio Cruz
• Instituição Sede: Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto (FFCLRP). Universidade de São Paulo (USP). Ribeirão Preto , SP, Brasil
• Bolsa(s) vinculada(s): 19/26059-8 - Desvendando o mecanismo de biomineralização das vesículas da matriz: uma abordagem por microscopia crioeletrônica, BE.EP.DR
• Assunto(s): Química de interfaces Biomateriais Colágenos fibrilares Hidroxiapatita Biomineralização Osso e ossos Monocamadas de Langmuir
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Biomateriais | biomineralização | colageno | hidroxiapatita | monocamadas de Langmuir | tecido ósseo | Química de Interfaces

Resumo

A biomineralização óssea é um rebuscado processo mediado e controlado por células que culmina na construção de uma matriz híbrida altamente hierárquica. O bloco construtor dessa matriz são as fibrilas de colágeno mineralizadas por cristais de hidroxiapatita (HAp), um tipo de fosfato de cálcio. A origem dos cristais de HAp durante a formação do tecido ósseo é atribuída à ação das Vesículas da Matriz (VM). Essas vesículas lipídicas são excretadas por células osteogênicas e hospedam o maquinário bioquímico necessário para a origem e transporte de íons Ca2+ e PO43- que são utilizados na precipitação da HAp. No interior das VM, a matriz lipídica atua como centro nucleador para a formação de cristais de HAp, que são liberados para o meio extracelular, atuando assim na propagação da mineralização das fibrilas de colágeno. Apesar de atualmente entendermos o papel das VM na origem da fase mineral do tecido ósseo e compreendermos as interações HAp-colágeno que definem a estrutura do tecido ósseo, pouco se sabe sobre a relação entre as VM e a propagação da mineralização das fibrilas de colágeno. Nossa hipótese é que após a ruptura das VM, complexos lipídeo-mineral são liberados ao meio extracelular, que então interagem com as fibrilas de colágeno, levando à propagação da cristalização de HAp no interior das fibrilas. Para acessarmos essa hipótese, nesse projeto utilizaremos técnicas do "estado-da-arte" em Biofísica para caracterizarmos a estrutura do complexo lipídeo-mineral e a sua habilidade em propagar a biomineralização das fibrilas de colágeno. Utilizando-se monocamadas de Langmuir com lipídeos majoritariamente presentes nas VM (fosfatidilcolina, fosfatidilserina, colesterol, esfingomielina), investigaremos a formação de complexos lipídeo-mineral, relacionando propriedades da matriz orgânica (composição, estrutura) e a fase mineral formada após diferentes tempos de reação. Esperamos poder identificar com resolução molecular os caminhos induzidos pela matriz lipídica que levam à precipitação de HAp, obtendo uma visão termodinâmica e cinética da cristalização no interior das VM. Uma vez identificada a natureza e a habilidade em nucleação dos complexos lipídeo-mineral, avaliaremos então o seu papel na propagação da mineralização de fibrilas de colágeno por HAp em matrizes hierárquicas, mimetizando assim a formação do tecido ósseo. A formação de filmes automontados de colágeno, altamente ordenados, foi alvo de investigação no projeto BEPE do aluno, desenvolvido sob supervisão do Prof. Seung-Wuk Lee, na Universidade da Califórnia-Berkeley, durante o mestrado. Agora, o aluno fará uso deste aprendizado no estudo de mineralização deste filme no presente projeto. Espera-se que ao final desse projeto uma nova visão da biomineralização óssea possa ser apresentada, com aplicações que vão desde à clínica ao desenvolvimento de materiais sintéticos bioinspirados. (AU)

Publicações científicas

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(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

MARCOS A.E. CRUZ; CLAUDIO R. FERREIRA; LUCAS F. B. NOGUEIRA; LUIZ H.S. ANDRILLI; ANA LARA N. DOS SANTOS; JEFERSON M. M. MACEDO; EKEVELINY A. VESCHI; BRUNO Z. FAVARIN; HEITOR G. SEBINELLI; MAYTE BOLEAN; et al. ASPECTOS QUÍMICOS DA BIOMINERALIZAÇÃO ÓSSEA. Química Nova, v. 45, n. 5, p. 578-593, 2022-07-22. (17/20846-2, 19/08568-2, 19/25054-2)

ANDRILLI, LUIZ H. S.; SEBINELLI, HEITOR G.; FAVARIN, BRUNO Z.; CRUZ, MARCOS A. E.; RAMOS, ANA PAULA; BOLEAN, MAYTE; MILLAN, JOSE LUIS; BOTTINI, MASSIMO; CIANCAGLINI, PIETRO. NPP1 and TNAP hydrolyze ATP synergistically during biomineralization. PURINERGIC SIGNALLING, v. N/A, p. 14-pg., 2022-07-23. (19/25054-2, 19/08568-2, 21/13140-1, 17/20846-2)

VESCHI, EKEVELINY AMABILE; BOLEAN, MAYTE; DA SILVA ANDRILLI, LUIZ HENRIQUE; SEBINELLI, HEITOR GOBBI; STRZELECKA-KILISZEK, AGNIESZKA; BANDOROWICZ-PIKULA, JOANNA; PIKULA, SLAWOMIR; GRANJON, THIERRY; MEBAREK, SAIDA; MAGNE, DAVID; et al. Mineralization Profile of Annexin A6-Harbouring Proteoliposomes: Shedding Light on the Role of Annexin A6 on Matrix Vesicle-Mediated Mineralization. INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES, v. 23, n. 16, p. 15-pg., 2022-08-01. (19/25054-2, 21/13140-1, 17/20846-2, 19/08568-2, 22/05026-7)

CRUZ, MARCOS A. E.; FERREIRA, CLAUDIO R.; TOVANI, CAMILA B.; DE OLIVEIRA, FLAVIA A.; BOLEAN, MAYTE; CASELI, LUCIANO; MEBAREK, SAIDA; MILLAN, JOSE LUIS; BUCHET, RENE; BOTTINI, MASSIMO; et al. Phosphatidylserine controls calcium phosphate nucleation and growth on lipid monolayers: A physicochemical understanding of matrix vesicle-driven biomineralization. Journal of Structural Biology, v. 212, n. 2, NOV 1 2020. (14/24249-0, 17/08892-9, 17/20846-2)

SEBINELLI, HEITOR GOBBI; ANDRILLI, LUIZ HENRIQUE SILVA; FAVARIN, BRUNO ZOCCARATTO; CRUZ, MARCOS AANTONIO EUFRASIO; BOLEAN, MAYTE; FIORE, MICHELE; CHIEFFO, CAROLINA; MAGNE, DAVID; MAGRINI, ANDREA; RAMOS, ANA PAULA; et al. Shedding Light on the Role of Na,K-ATPase as a Phosphatase during Matrix-Vesicle-Mediated Mineralization. INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES, v. 23, n. 23, p. 19-pg., 2022-12-01. (19/25054-2, 21/13140-1, 17/20846-2, 19/08568-2, 22/05026-7)

Publicações acadêmicas

(Referências obtidas automaticamente das Instituições de Ensino e Pesquisa do Estado de São Paulo)

CRUZ, Marcos Antonio Eufrásio. Estudos sobre o papel das vesículas da matriz na mineralização óssea: observações de micro à nanoescala. 2023. Tese de Doutorado - Universidade de São Paulo (USP). Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto (PCARP/BC) Ribeirão Preto.