Биоэлектричество - Bioelectricity

В биологии , биоэлектроэнергия развития относится к регуляции из клеток , тканей , органов и уровень формирования рисунка и поведения в результате эндогенной электрический опосредованной сигнализации. Клетки и ткани всех типов используют потоки ионов для электрической связи. Носителем заряда в биоэлектричестве является ион (заряженный атом), а электрический ток и поле генерируются всякий раз, когда возникает чистый поток ионов. Эндогенные электрические токи и поля , потоки ионов и различия в потенциале покоя в тканях составляют древнюю и высококонсервативную систему коммуникации и передачи сигналов. Он функционирует вместе (последовательно и параллельно) с биохимическими факторами, транскрипционными сетями и другими физическими силами, регулируя поведение клеток и крупномасштабное формирование паттерна во время эмбриогенеза , регенерации , рака и многих других процессов.

Рисунок 1 - Морфогенетическое поле формирования и поддержания паттерна в течение жизни.

Контекстуализация поля

Биоэлектричество развития - это раздел биологии, связанный, но отличный от нейрофизиологии и биоэлектромагнетизма . Биоэлектричество развития относится к потокам эндогенных ионов, трансмембранным и трансэпителиальным градиентам напряжения, а также к электрическим токам и полям, создаваемым и поддерживаемым в живых клетках и тканях. Эта электрическая активность часто используется во время эмбриогенеза, регенерации и рака - это один из слоев сложного поля сигналов, которые воздействуют на все клетки in vivo и регулируют их взаимодействия во время формирования и поддержания паттерна (рис. 1). Это отличается от нейронного биоэлектричества (классически называемого электрофизиологией), которое относится к быстрым и кратковременным всплескам в хорошо узнаваемых возбудимых клетках, таких как нейроны и миоциты ; и от биоэлектромагнетизма, который относится к эффектам применяемого электромагнитного излучения, и эндогенным электромагнетизмом, таким как биофотонное излучение и магнетит.

Рисунок 2 - Мембранный потенциал и трансэпителиальный потенциал.

Рисунок 3 - Разность электрических потенциалов эпителия роговицы и генерация электрических полей в ране.

Рисунок 4 - Распределение биоэлектрического потенциала на боку эмбриона лягушки, окрашенного чувствительным к напряжению флуоресцентным красителем.

Обзор области: терминология и основные определения

В основе биоэлектричества лежит нарушение сплошности внутри / снаружи на поверхности клетки, обеспечиваемое двухслойной липидной мембраной (конденсатором). Плазматическая мембрана была незаменимой структурой для возникновения и развития самой жизни. Это обеспечило разделение на части, позволяющее установить дифференциальный градиент напряжения / потенциала (батарея или источник напряжения) на мембране , что, вероятно, позволило использовать раннюю и рудиментарную биоэнергетику, которая питала клеточные механизмы. В ходе эволюции первоначально чисто пассивная диффузия ионов (носителей заряда) постепенно контролируется за счет приобретения ионных каналов , насосов , обменников и переносчиков. Эти энергетически свободные (резисторы или проводники, пассивный транспорт) или дорогие (источники тока, активный транспорт) транслокаторы устанавливают и точно настраивают градиенты напряжения - потенциалы покоя - которые повсеместны и важны для физиологии жизни, начиная от биоэнергетики, движения, восприятия и транспорта питательных веществ. , очистка от токсинов и передача сигналов в гомеостатических условиях и в условиях болезни / травмы. При раздражении или нарушении барьера (коротком замыкании) мембраны ионы, приводимые в действие градиентом напряжения (электродвижущая сила), диффундируют или утекают, соответственно, через цитоплазму и интерстициальные жидкости (проводники), генерируя измеримые электрические токи - чистые потоки ионов - и поля. Некоторые ионы (например, кальций ) и молекулы (например, перекись водорода ) модулируют целевые транслокаторы, чтобы произвести ток или усилить, ослабить или даже обратить начальный ток, будучи переключателями.

Эндогенные биоэлектрические сигналы производятся в клетках за счет кумулятивного действия ионных каналов, насосов и транспортеров. В невозбудимых клетках потенциал покоя через плазматическую мембрану (Vmem) отдельных клеток распространяется на расстояния через электрические синапсы, известные как щелевые соединения (проводники), которые позволяют клеткам делиться своим потенциалом покоя с соседями. Выровненные и уложенные друг на друга клетки (например, в эпителии) генерируют трансэпителиальные потенциалы (батареи последовательно) и электрические поля (рис. 2 и 3), которые аналогичным образом распространяются по тканям. Плотные переходы (резисторы) эффективно уменьшают диффузию и утечку параклеточных ионов, предотвращая короткое замыкание по напряжению. Вместе эти напряжения и электрические поля образуют богатые и динамичные структуры внутри живых тел (рис. 5), которые разграничивают анатомические особенности , таким образом, действуя как чертежи для экспрессии генов и морфогенеза в некоторых случаях. Эти биоэлектрические распределения являются не только корреляциями, но и динамичны, развиваются со временем, с учетом микросреды и даже отдаленных условий, чтобы служить поучительным влиянием на поведение клеток и формирование крупномасштабного паттерна во время эмбриогенеза, регенерации и подавления рака. Механизмы биоэлектрического контроля - важная новая цель для достижений регенеративной медицины, врожденных дефектов , рака и синтетической биоинженерии .

Краткая история отрасли: пионеры в области биоэлектричества

Современные корни развития биоэлектричества уходят корнями в 18 век. Несколько основополагающих работ по стимулированию мышечных сокращений с использованием лейденских банок завершились публикацией классических исследований Луиджи Гальвани в 1791 и 1794 годах (De viribus electricitatis in motu musculari). животное электричество ». Алессандро Вольта показал, что подергивание мышц ноги лягушки было вызвано генератором статического электричества и контактом разнородных металлов . Гальвани в исследовании 1794 года показал подергивание без металлического электричества при прикосновении к мышце ноги отклоняющимся перерезанным седалищным нервом , что окончательно продемонстрировало «животное электричество». Сам того не зная, Гальвани с помощью этого и связанных с ним экспериментов обнаружил ток повреждения (утечка ионов, вызванная интактной мембраной / эпителиальным потенциалом) и потенциал повреждения (разность потенциалов между поврежденной и неповрежденной мембраной / эпителием). Потенциал травмы, по сути, был источником электричества, стоящим за сокращением ноги, как это было понято в следующем столетии. Последующая работа в конечном итоге расширила эту область, за пределы нервов и мышц, на все клетки, от бактерий до невозбудимых клеток млекопитающих.

Основываясь на более ранних исследованиях, дальнейшие проблески эволюционного биоэлектричества произошли с открытием связанных с раной электрических токов и полей в 1840-х годах, когда один из отцов-основателей современной электрофизиологии - Эмиль дю Буа-Реймон (Emil du Bois-Reymond) сообщил об электрической активности макроскопического уровня у лягушки. рыбы и человеческие тела. Он регистрировал мельчайшие электрические токи в живых тканях и организмах с помощью современного гальванометра, сделанного из изолированных катушек из медной проволоки. Он открыл быстро меняющееся электричество, связанное с сокращением мышц и возбуждением нервов - потенциалы действия . В то же время дю Буа-Реймон также подробно сообщил о меньших колебаниях электричества в ранах - токе и потенциале травмы, - которые он нанес себе.

Рисунок 5 - Образцы некоторых типов клеток и их потенциалы покоя, показывающие, что активно пролиферирующие и пластичные клетки группируются в деполяризованном конце континуума, в то время как терминально дифференцированные типы зрелых клеток имеют тенденцию быть сильно поляризованными.

Серьезная работа по биоэлектричеству началась в начале 20 века. С тех пор в ходе нескольких волн исследований были получены важные функциональные данные, показывающие роль, которую биоэлектричество играет в контроле роста и формы. В 1920-е и 1930-е годы Э. Дж. Лунд и Х. С. Берр были одними из самых плодовитых авторов в этой области. Лунд измерил токи в большом количестве живых модельных систем, сопоставив их с изменениями в паттернах. Напротив, Берр использовал вольтметр для измерения градиентов напряжения, исследуя развивающиеся эмбриональные ткани и опухоли у ряда животных и растений. Было продемонстрировано, что прикладываемые электрические поля изменяют регенерацию планарий Маршем и Лучом в 1940-х и 1950-х годах, вызывая образование голов или хвостов на участках разрезов, изменяя полярность первичного тела на обратную. Введение и разработка вибрирующего зонда, первого устройства для количественной неинвазивной характеристики внеклеточных мельчайших ионных токов, Лайонелом Джаффе и Ричардом Нукчиттелли, оживили эту область исследований в 1970-х годах. За ними последовали такие исследователи, как Джозеф Ванейбл, Ричард Боргенс , Кен Робинсон и Колин Маккейг, среди многих других, которые показали роль эндогенной биоэлектрической передачи сигналов в развитии и регенерации конечностей, эмбриогенезе, полярности органов и заживлении ран . CD Cone изучал роль потенциала покоя в регулировании дифференцировки и пролиферации клеток, и последующая работа определила определенные области спектра потенциала покоя, которые соответствуют различным состояниям клеток, таким как покой, ствол, рак и окончательно дифференцированный (Рисунок 5).

Хотя эта работа позволила получить значительный объем высококачественных физиологических данных, этот крупномасштабный биофизический подход исторически находился в тени биохимических градиентов и генетических сетей в биологическом образовании, финансировании и общей популярности среди биологов. Ключевым фактором, способствовавшим отставанию этой области от молекулярной генетики и биохимии, является то, что биоэлектричество по своей сути является живым явлением - его нельзя изучать на фиксированных образцах. Работа с биоэлектричеством более сложна, чем традиционные подходы к биологии развития, как методологически, так и концептуально, поскольку обычно требует междисциплинарного подхода.

Методология изучения биоэлектрической сигнализации: электродные методы

Золотым стандартом для количественного определения электрических размеров живых образцов на разных уровнях от клетки до организма являются стеклянный микроэлектрод (или микропипетка ), вибрирующий (или самореферентный) датчик напряжения и вибрирующий ионоселективный микроэлектрод . Первый по своей природе является инвазивным, а два последних - неинвазивным, но все они являются сверхчувствительными и быстро реагирующими датчиками, широко используемыми во множестве физиологических состояний в широко распространенных биологических моделях.

Стеклянный микроэлектрод был разработан в 1940-х годах для изучения потенциала действия возбудимых клеток на основе плодотворной работы Ходжкина и Хаксли над гигантским аксонным кальмаром . Это просто жидкий солевой мостик, соединяющий биологический образец с электродом, защищающий ткани от вымываемых токсинов и окислительно-восстановительных реакций неизолированного электрода. Благодаря низкому импедансу, низкому потенциалу перехода и слабой поляризации серебряные электроды являются стандартными преобразователями ионного тока в электрический ток, который возникает в результате обратимой окислительно-восстановительной реакции на поверхности электрода.

Вибрационный зонд был использован в биологических исследованиях в 1970-х годах. Чувствительный к напряжению зонд покрыт гальваническим покрытием из платины с образованием емкостного шара с черным наконечником с большой площадью поверхности. При вибрации в искусственном или естественном градиенте постоянного напряжения емкостной шарик колеблется на выходе переменного тока синусоидальной формы. Амплитуда волны пропорциональна измеряемой разности потенциалов на частоте вибрации, эффективно фильтруемой синхронным усилителем, повышающим чувствительность зонда.

Вибрационный ионоселективный микроэлектрод впервые был использован в 1990 году для измерения потоков кальция в различных клетках и тканях. Ионоселективный микроэлектрод представляет собой адаптацию стеклянного микроэлектрода, в котором ионно-специфический жидкий ионообменник (ионофор) заполняется на конце ранее силанизированного (для предотвращения утечки) микроэлектрода. Кроме того, микроэлектрод вибрирует на низких частотах, чтобы работать в режиме точной саморегуляции. Только определенный ион проникает через ионофор , поэтому показание напряжения пропорционально концентрации ионов в условиях измерения. Затем поток вычисляется с использованием первого закона Фика .

Новые оптические методы, например, pH- оптрод (или оптод ), который может быть интегрирован в саморегулирующуюся систему, могут стать альтернативным или дополнительным методом в лабораториях биоэлектричества. Оптрод не требует привязки и нечувствителен к электромагнетизму, что упрощает настройку системы и делает его подходящим вариантом для записи, в которой одновременно применяется электрическая стимуляция.

В большой работе по функциональному изучению биоэлектрической передачи сигналов использовались прикладываемые (экзогенные) электрические токи и поля через устройства подачи постоянного и переменного напряжения, интегрированные с солевыми мостиками агарозы. Эти устройства могут генерировать бесчисленные комбинации величины и направления напряжения, импульсов и частот. В настоящее время применение электрических полей с помощью технологии «лаборатория на кристалле» получает все большее распространение в этой области, что дает возможность проводить высокопроизводительные скрининговые анализы больших комбинаторных выходов.

Рисунок 6 - Инструменты для управления биоэлектричеством, не относящимся к нейронам, включают фармакологические и генетические реагенты для изменения связности клеток (управляющие щелевые соединения), ячейку V _mem (управляющие ионные каналы / насосы) и биоэлектрические второстепенные мессенджеры (управляющие нейротрансмиттеры и другие небольшие молекулы) .

Методология изучения биоэлектрической сигнализации: реагенты и подходы молекулярного возраста

Замечательный прогресс молекулярной биологии за последние шесть десятилетий позволил создать мощные инструменты, облегчающие анализ биохимических и генетических сигналов; тем не менее, они, как правило, не подходят для биоэлектрических исследований in vivo. Предыдущие работы в значительной степени основывались на токе, подаваемом непосредственно электродами, чему способствовали недавние значительные достижения в области материаловедения и измерения внеклеточного тока, чему способствовали сложные системы саморегулирующихся электродов. В то время как применение электродов для управления нейтрально-контролируемыми процессами в организме в последнее время привлекает большое внимание, нервная система является лишь верхушкой айсберга, когда речь идет о возможностях управления соматическими процессами, поскольку большинство типов клеток электрически активны и реагируют на ионные сигналы от себя и своих соседей (рис. 6).

За последние 15 лет был разработан ряд новых молекулярных методов, которые позволили исследовать биоэлектрические пути с высокой степенью механистического разрешения и связать их с каноническими молекулярными каскадами. К ним относятся (1) фармакологический скрининг для выявления эндогенных каналов и насосов, ответственных за определенные события формирования паттерна; (2) чувствительные к напряжению флуоресцентные репортерные красители и генетически закодированные флуоресцентные индикаторы напряжения для характеристики биоэлектрического состояния in vivo; (3) панели хорошо охарактеризованных доминирующих ионных каналов, которые могут неправильно экспрессироваться в представляющих интерес клетках, чтобы изменить биоэлектрическое состояние желаемым образом; и (4) вычислительные платформы, которые становятся доступными для помощи в построении прогнозных моделей биоэлектрической динамики в тканях.

По сравнению с электродными методами молекулярные зонды обеспечивают более широкое пространственное разрешение и облегчают динамический анализ во времени. Хотя калибровка или титрование возможны, молекулярные зонды обычно являются полуколичественными, тогда как электроды обеспечивают абсолютные биоэлектрические значения. Еще одним преимуществом флуоресценции и других зондов является их менее инвазивный характер и пространственное мультиплексирование, что позволяет одновременно контролировать большие площади эмбриональных или других тканей in vivo во время нормальных или патологических процессов "бега".

Роль в раннем развитии

Работа с модельными системами, такими как Xenopus laevis и рыбки данио , выявила роль биоэлектрической передачи сигналов в развитии сердца, лица, глаз, мозга и других органов. Скрины определили роль ионных каналов в управлении размером структур, таких как плавник данио, в то время как целенаправленные исследования увеличения функции показали, например, что части тела могут быть переопределены на уровне органов - например, создание целых глаз в энтодерме кишечника . Как и в мозге, биоэлектрические процессы развития могут интегрировать информацию на значительном расстоянии в эмбрионе, например, такую ​​как контроль размера мозга с помощью биоэлектрического состояния вентральной ткани. и контроль туморогенеза в месте экспрессии онкогенов с помощью биоэлектрического состояния удаленных клеток.

Заболевания человека, а также многочисленные мутанты мышей показывают, что передача биоэлектрических сигналов важна для развития человека (Таблицы 1 и 2). Эти эффекты широко связаны с каннелопатиями, которые являются заболеваниями человека, возникающими в результате мутаций, нарушающих ионные каналы.

Некоторые каналопатии приводят к морфологическим аномалиям или врожденным дефектам в дополнение к симптомам, которые влияют на мышцы и / или нейроны. Например, мутации, которые нарушают внутренне выпрямляющий калиевый канал Kir2.1, вызывают доминантно наследуемый синдром Андерсена-Тавила (САР). Пациенты с САР испытывают периодические параличи , сердечные аритмии и множественные морфологические аномалии, которые могут включать расщелину или высокое арочное небо, расщелину или тонкую верхнюю губу, уплощенный желобок , микрогнатию , зубную олигодонтию , гипоплазию эмали, задержку прорезывания зубов, неправильный прикус, широкий лоб, широкий набор глаза, низко посаженные уши, синдактилия , клинодактилия , брахидактилия и диспластические почки. Мутации, которые нарушают другой внутренне выпрямляющий K + канал Girk2, кодируемый KCNJ6, вызывают синдром Кеппена-Любинского, который включает микроцефалию , узкую переносицу, высокое сводчатое небо и тяжелую генерализованную липодистрофию (неспособность генерировать жировую ткань). KCNJ6 находится в критической области синдрома Дауна , так что дупликации, которые включают эту область, приводят к черепно-лицевым аномалиям и аномалиям конечностей, а дупликации, которые не включают эту область, не приводят к морфологическим симптомам синдрома Дауна. Мутации в KCNH1 , калиевом канале , управляемом напряжением, приводят к синдрому Темпла-Барайцера (также известного как Циммерман-Лабанд ). Общие черты синдрома Темпла-Барайцера включают отсутствие или гипоплазию ногтей и фаланг пальцев рук и ног, а также нестабильность суставов. Черепно-лицевые дефекты, связанные с мутациями в KCNH1, включают расщелину или высокое арочное небо, гипертелоризм , дисморфизм ушей, дисморфический нос, гипертрофию десен и аномальное количество зубов.

Мутации CaV1.2 , потенциал- зависимого канала Ca2 +, приводят к синдрому Тимоти, который вызывает тяжелую сердечную аритмию (удлиненный QT) наряду с синдактилией и схожими черепно-лицевыми дефектами с синдромом Андерсена-Тавила, включая расщелину или высоко сводчатое небо, микрогнатию, низкую посадку уши, синдактилия и брахидактилия. Хотя эти каналопатии встречаются редко, они показывают, что функциональные ионные каналы важны для развития. Кроме того, внутриутробное воздействие противоэпилептических препаратов, нацеленных на некоторые ионные каналы, также вызывает увеличение случаев врожденных дефектов, таких как расщелина полости рта. Эффекты как генетического, так и экзогенного нарушения ионных каналов дают представление о важности передачи биоэлектрических сигналов в развитии.

Роль в заживлении ран и ведении клеток

Одна из наиболее понятных ролей биоэлектрических градиентов - это эндогенные электрические поля на тканевом уровне, используемые во время заживления ран. Изучать электрические поля, связанные с раной, сложно, потому что эти поля слабые, менее подвержены колебаниям и не вызывают немедленных биологических реакций по сравнению с нервными импульсами и сокращением мышц. Разработка вибрирующих и стеклянных микроэлектродов продемонстрировала, что раны действительно вызывают и, что важно, выдерживают измеримые электрические токи и электрические поля. Эти методы позволяют дополнительно характеризовать электрические поля / токи в ране на роговице и ранах кожи, которые показывают активные пространственные и временные особенности, предполагая активное регулирование этих электрических явлений. Например, электрические токи в ране всегда самые сильные на краю раны, которые постепенно увеличиваются и достигают пика примерно через 1 час после травмы. В случае ран у животных с диабетом электрические поля раны значительно ослаблены. Ожидается, что понимание механизмов генерации и регулирования электрических токов / полей в ране откроет новые подходы к управлению электрическим аспектом для лучшего заживления ран.

Как создаются электрические поля в ране? Эпителий активно перекачивает и дифференцированно разделяет ионы. В эпителии роговицы, например, Na + и K + транспортируются внутрь из слезной жидкости во внеклеточную жидкость, а Cl- транспортируется из внеклеточной жидкости в слезную жидкость. Эпителиальные клетки соединены плотными контактами, образуя главный резистивный электрический барьер и, таким образом, создавая электрический градиент в эпителии - трансэпителиальный потенциал (TEP). Нарушение эпителиального барьера, как это происходит в любых ранах, создает отверстие, которое нарушает высокое электрическое сопротивление, установленное плотными контактами в эпителиальном листе, локально замыкая эпителий. Таким образом, TEP падает до нуля на ране. Однако нормальный перенос ионов продолжается в неповрежденных эпителиальных клетках за пределами края раны (обычно на расстоянии <1 мм), выталкивая поток положительного заряда из раны и создавая устойчивое латерально ориентированное электрическое поле (EF) с катодом на ране. Кожа также генерирует TEP, и когда образуется кожная рана, возникают аналогичные раневые электрические токи и поля до тех пор, пока функция эпителиального барьера не восстанавливается, чтобы прекратить короткое замыкание в ране. Когда электрические поля раны обрабатываются фармакологическими агентами, которые либо стимулируют, либо ингибируют перенос ионов, электрические поля раны также увеличиваются или уменьшаются соответственно. В случае ран роговицы заживление ран может соответственно ускоряться или замедляться.

Как электрические поля влияют на заживление ран? Для заживления ран клетки, окружающие рану, должны мигрировать и расти в рану, чтобы покрыть дефект и восстановить барьер. Клетки, важные для заживления ран, очень хорошо реагируют на приложенные электрические поля той же силы, которая измеряется на ранах. На весь спектр типов клеток и их реакции после травмы влияют физиологические электрические поля. К ним относятся миграция и деление эпителиальных клеток, отрастание и расширение нервов, а также миграция лейкоцитов и эндотелиальных клеток. Наиболее изученным клеточным поведением является направленная миграция эпителиальных клеток в электрических полях - электротаксис . Эпителиальные клетки направленно мигрируют к отрицательному полюсу (катоду), который в ране представляет собой полярность эндогенных векторных электрических полей в эпителии, указывающую (от положительного к отрицательному) на центр раны. Эпителиальные клетки роговицы, кератиноциты кожи и многие другие типы клеток демонстрируют направленную миграцию при напряженности электрического поля всего несколько мВ / мм. Большие листы однослойных эпителиальных клеток и листы многослойных многослойных эпителиальных клеток также мигрируют направленно. Такое коллективное движение очень похоже на то, что происходит во время заживления ран in vivo, когда клеточные слои коллективно перемещаются в ложе раны, чтобы покрыть рану и восстановить барьерную функцию кожи или роговицы.

Как клетки воспринимают такие мельчайшие внеклеточные электрические поля, остается в значительной степени неуловимым. Недавние исследования начали определять некоторые генетические, сигнальные и структурные элементы, лежащие в основе того, как клетки воспринимают небольшие физиологические электрические поля и реагируют на них. К ним относятся ионные каналы, внутриклеточные сигнальные пути, мембранные липидные рафты и электрофорез компонентов клеточной мембраны.

Роль в регенерации животных

В начале 20-го века Альберт Мэтьюз коррелировал регенерацию книдарийного полипа с разностью потенциалов между полипом и поверхностью столона и влиял на регенерацию, применяя противотоки. Амедео Герлитцка, следуя по стопам своего наставника дю Буа-Раймона, предположил, что электрические токи играют раннюю роль в регенерации, возможно, инициируя пролиферацию клеток. Используя электрические поля, преобладающие над эндогенными, Марш и Луч поразительным образом сгенерировали двуглавых планарий и даже полностью изменили полярность первичного тела, с хвостами, растущими там, где раньше существовала голова. После этих семенных исследований вариации идеи о том, что биоэлектричество может ощущать травму и запускать или, по крайней мере, быть основным игроком в регенерации, на протяжении десятилетий до наших дней. Возможное объяснение заключается в потенциалах покоя (в первую очередь Vmem и TEP), которые могут быть, по крайней мере частично, неактивными датчиками (сигналами тревоги), готовыми к обнаружению, и исполнительными механизмами (триггерами), готовыми реагировать на локальные повреждения.

Вслед за относительным успехом электрической стимуляции недопустимой регенерации лягушачьей лапки с использованием имплантированного биметаллического стержня в конце 1960-х, биоэлектрический внеклеточный аспект регенерации конечностей земноводных был широко рассмотрен в следующие десятилетия. Окончательные описательные и функциональные физиологические данные стали возможными благодаря разработке сверхчувствительного вибрационного зонда и усовершенствованных устройств для нанесения. Ампутация неизменно приводит к внешнему току, возбуждаемому кожей, и последующему боковому электрическому полю, устанавливающему катод в месте раны. Несмотря на то, что первоначально происходит чистая утечка ионов, в конечном итоге происходит активный компонент, и блокирование ионных транслокаторов обычно ухудшает регенерацию. Используя биомиметические экзогенные электрические токи и поля, была достигнута частичная регенерация, которая обычно включала рост ткани и увеличение нейрональной ткани. И наоборот, предотвращение или реверсирование эндогенного электрического тока и полей ухудшает регенерацию. Эти исследования регенерации конечностей земноводных и связанные с ними исследования на миногах и млекопитающих в сочетании с исследованиями по заживлению переломов костей и исследованиями in vitro привели к общему правилу, согласно которому мигрирующие (например, кератиноциты, лейкоциты и эндотелиальные клетки) и вырастающие (например, аксоны) клетки способствующие регенерации подвергаются электротаксису по направлению к катоду (исходному месту повреждения). Соответственно, анод связан с резорбцией или дегенерацией ткани, как это происходит при нарушенной регенерации и резорбции остеокластов в кости. Несмотря на эти усилия, перспектива значительной эпиморфной регенерации у млекопитающих остается основным рубежом для будущих усилий, которые включают использование носимых биореакторов для создания среды, в которой можно управлять прорегенеративными биоэлектрическими состояниями, и продолжения усилий по электростимуляции.

Недавние молекулярные исследования определили, что поток протонов и натрия важен для регенерации хвоста у головастиков Xenopus , и показали, что регенерация всего хвоста (со спинным мозгом, мышцами и т. молекулярно-генетическими, фармакологическими или оптогенетическими методами. У планарий работа над биоэлектрическим механизмом выявила контроль поведения стволовых клеток, контроль размера во время ремоделирования, передне-заднюю полярность и форму головы. Опосредованное щелевым соединением изменение физиологической передачи сигналов приводит к появлению двухголовых червей у Dugesia japonica; примечательно, что эти животные продолжают регенерировать как двуглавые в будущих раундах регенерации через несколько месяцев после того, как реагент, блокирующий щелевые соединения, покинул ткань. Это стабильное, долгосрочное изменение анатомической структуры, по которому животные регенерируют без редактирования генома, является примером эпигенетического наследования структуры тела, а также является единственным доступным «штаммом» видов планарий, демонстрирующим унаследованные анатомические изменения, отличные от от дикого типа.

Рис. кальциевые сигнальные каскады) и димеризация рецепторов на поверхности клетки.

Рисунок 8 - Биоэлектричество и генетическая экспрессия работают вместе интегрированным образом; ничего не ниже по течению.

Рисунок 9 - Неправильная экспрессия определенных ионных каналов в различных областях эмбрионов лягушки может вызвать образование эктопических органов, таких как глаза, на ткани кишечника.

Роль в раке

Дефицит клеток из-за обычно жесткой координации деятельности по отношению к анатомической структуре приводит к раку; Таким образом, неудивительно, что биоэлектричество - ключевой механизм для координации роста клеток и формирования паттерна - является мишенью, часто участвующей в развитии рака и метастазов. Действительно, давно известно, что щелевые соединения играют ключевую роль в канцерогенезе и прогрессировании. Каналы могут вести себя как онкогены и, таким образом, подходят в качестве мишеней для новых лекарств. Недавняя работа на моделях амфибий показала, что деполяризация потенциала покоя может запускать метастатическое поведение в нормальных клетках, в то время как гиперполяризация (вызванная неправильной экспрессией ионных каналов, лекарствами или светом) может подавлять онкогенез, вызванный экспрессией человеческих онкогенов. Деполяризация потенциала покоя, по-видимому, является биоэлектрической сигнатурой, по которой участки зарождающейся опухоли могут быть обнаружены неинвазивно. Уточнение биоэлектрической сигнатуры рака в биомедицинском контексте в качестве диагностического метода является одним из возможных приложений этой области. Интересно, что амбивалентность полярности - деполяризация как маркер и гиперполяризация как лечение - делает концептуально возможным вывести терапевтические (портманто терапии с диагностикой) подходы, предназначенные для одновременного обнаружения и лечения ранних опухолей, в данном случае на основе нормализации мембраны. поляризация.

Роль в регулировании модели

Недавние эксперименты с использованием препаратов, открывающих / блокирующих ионные каналы, а также неправильной экспрессии доминирующих ионных каналов на ряде модельных видов показали, что биоэлектричество, в частности, градиенты напряжения, определяют не только поведение стволовых клеток, но и формирование крупномасштабного паттерна. Сигналы формирования паттерна часто опосредуются пространственными градиентами потенциалов покоя клеток, или Vmem, которые могут быть преобразованы во вторичные мессенджеры и транскрипционные изменения с помощью нескольких известных механизмов (Рисунок 7). Эти потенциалы устанавливаются функцией ионных каналов и насосов и формируются щелевыми соединениями, которые создают компартменты развития (изопотенциальные клеточные поля). Поскольку как щелевые переходы, так и ионные каналы сами по себе чувствительны к напряжению, группы ячеек реализуют электрические цепи с широкими возможностями обратной связи (рис. 8). Результаты биоэлектрической динамики развития in vivo представляют собой крупномасштабные решения по формированию паттерна, такие как количество голов у планарий, форма лица в развитии лягушки и размер хвостов у рыбок данио. Экспериментальная модуляция эндогенных биоэлектрических предварительных паттернов позволила преобразовать участки тела (например, кишечник) в полноценный глаз (рис.9), вызвать регенерацию придатков, таких как хвосты головастиков, в нерегенеративных контекстах, и преобразовать формы и содержимое головы плоских червей в паттерны. подходит для других видов плоских червей, несмотря на нормальный геном. Недавняя работа показала использование среды физиологического моделирования для выявления прогностических вмешательств, направленных на нацеливание на биоэлектрические состояния для восстановления эмбриональных дефектов мозга при ряде генетических и фармакологически индуцированных тератологий.

Будущее отрасли

В конечном итоге жизнь - это электрохимическое предприятие; Исследования в этой области продвигаются по нескольким направлениям. Во-первых, это редуктивная программа понимания того, как производятся биоэлектрические сигналы, как изменения напряжения на клеточной мембране могут регулировать поведение клетки и каковы генетические и эпигенетические цели нижестоящих биоэлектрических сигналов. Уже известно несколько механизмов, которые преобразуют биоэлектрические изменения в изменения экспрессии генов, в том числе биоэлектрический контроль движения небольших молекул вторичных мессенджеров через клетки, включая серотонин и бутират, чувствительные к напряжению фосфатазы и другие. Также известны многочисленные гены-мишени передачи сигналов напряжения, такие как Notch , BMP , FGF и HIF-1α . Таким образом, проксимальные механизмы передачи биоэлектрических сигналов в отдельных клетках становятся хорошо понятными, и достижения в оптогенетике и магнитогенетике продолжают способствовать этой исследовательской программе. Однако более сложной задачей является интегративная программа понимания того, как конкретные паттерны биоэлектрической динамики помогают управлять алгоритмами, которые осуществляют крупномасштабную регуляцию паттернов (регенерация и развитие сложной анатомии). Включение биоэлектричества с химической сигнализацией в развивающуюся область исследования сенсорного восприятия клеток и принятия решений является важным рубежом для будущей работы.

Биоэлектрическая модуляция показала контроль над сложным морфогенезом и ремоделированием, а не просто установление индивидуальной идентичности клеток. Более того, ряд ключевых результатов в этой области показал, что биоэлектрические цепи нелокальны - регионы тела принимают решения на основе биоэлектрических событий на значительном расстоянии. Такие не-клеточно-автономные события предполагают распределенные сетевые модели биоэлектрического контроля; Для понимания обработки пространственной информации в биоэлектрически активных тканях может потребоваться разработка новых вычислительных и концептуальных парадигм. Было высказано предположение, что результаты из областей примитивного познания и нетрадиционных вычислений имеют отношение к программе взлома биоэлектрического кода. Наконец, усилия в области биомедицины и биоинженерии направлены на разработку приложений, таких как носимые биореакторы для доставки реагентов, изменяющих напряжение, к участкам ран и лекарств, модифицирующих ионные каналы (своего рода электроакевтика), для восстановления врожденных дефектов и регенеративного восстановления. Синтетические биологи также начинают включать биоэлектрические цепи в гибридные конструкции.

Таблица 1: Ионные каналы и насосы, участвующие в формировании рисунка

Таблица 2: Щелевые соединения, влияющие на формирование паттерна

Таблица 3: Онкогены ионных каналов

использованная литература