Bioelektřina - Bioelectricity

V biologii , vývojové bioelectricity odkazuje na regulaci z buňky , tkáně , orgánu a na úrovni vzorování a chování jako výsledek endogenního elektricky zprostředkované signalizace. Buňky a tkáně všech typů používají k elektrické komunikaci toky iontů. Nosičem náboje v bioelektřině je ion (nabitý atom) a elektrický proud a pole se generují vždy, když dojde k čistému toku iontů. Endogenní elektrické proudy a pole , iontové toky a rozdíly v klidovém potenciálu napříč tkáněmi tvoří starodávný a vysoce konzervovaný komunikační a signalizační systém. Funguje vedle (v sérii a paralelně) s biochemickými faktory, transkripčními sítěmi a dalšími fyzickými silami, které regulují chování buněk a rozsáhlé vzorování během embryogeneze , regenerace , rakoviny a mnoha dalších procesů.

Obrázek 1 - Morfogenetické pole tvorby a údržby obrazců během života.

Kontextualizace pole

Vývojová bioelektřina je podoblastí biologie, která souvisí s neurofyziologií a bioelektromagnetikou , ale je od nich odlišná . Vývojová bioelektřina se týká endogenních toků iontů, gradientů transmembránových a transepitelových napětí a elektrických proudů a polí vytvářených a udržovaných v živých buňkách a tkáních. Tato elektrická aktivita se často používá během embryogeneze, regenerace a rakoviny - je to jedna vrstva komplexního pole signálů, které dopadají na všechny buňky in vivo a regulují jejich interakce během tvorby a udržování struktury (obrázek 1). To se liší od neurální bioelektřiny (klasicky nazývané elektrofyziologie), která se týká rychlého a přechodného nárůstu v dobře rozpoznatelných excitovatelných buňkách, jako jsou neurony a myocyty ; a z bioelektromagnetiky, která se týká účinků aplikovaného elektromagnetického záření, a endogenní elektromagnetiky, jako je emise biofotonů a magnetit.

Obrázek 2 - Membránový potenciál a transepiteliální potenciál.
Obrázek 3 - Rozdíl elektrického potenciálu v epitelu rohovky a generování navinutých elektrických polí.
Obrázek 4 - Distribuce bioelektrického potenciálu v boku embrya žáby obarveného napěťově citlivým fluorescenčním barvivem.

Přehled oboru: terminologie a základní definice

Vnitřní/vnější diskontinuita na povrchu buňky umožněná lipidovou dvojvrstvou membránou (kondenzátorem) je v jádru bioelektřiny. Plazmatická membrána byla nepostradatelnou strukturou pro vznik a vývoj samotného života. Poskytla rozdělování umožňující nastavení diferenčního gradientu napětí/potenciálu (baterie nebo zdroj napětí) přes membránu , pravděpodobně umožňující časnou a rudimentární bioenergetiku, která poháněla buněčné mechanismy. Během evoluce se původně čistě pasivní difúze iontů (nosičů náboje) postupně ovládala získáváním iontových kanálů , pump , výměníků a transportérů. Tyto energeticky volné (odpory nebo vodiče, pasivní transport) nebo drahé (proudové zdroje, aktivní transport) translokátory nastavují a dolaďují gradienty napětí - klidové potenciály -, které jsou všudypřítomné a zásadní pro fyziologii života, od bioenergetiky, pohybu, snímání, transportu živin , odstraňování toxinů a signalizace při homeostatických a chorobných/úrazových stavech. Po podnětech nebo přerušení bariéry (zkrat) membrány ionty napájené gradientem napětí (elektromotorická síla) difundují nebo prosakují přes cytoplazmu a intersticiální tekutiny (vodiče) a vytvářejí měřitelné elektrické proudy-čisté iontové toky-a pole. Některé ionty (jako je vápník ) a molekuly (jako je peroxid vodíku ) modulují cílené translokátory tak, aby vytvářely proud nebo zlepšovaly, zmírňovaly nebo dokonce reverzovaly počáteční proud, což jsou přepínače.

Endogenní bioelektrické signály jsou v buňkách vytvářeny kumulativním působením iontových kanálů, pump a transportérů. V neexcitabilních buňkách se klidový potenciál přes plazmatickou membránu (Vmem) jednotlivých buněk šíří po vzdálenostech prostřednictvím elektrických synapsí známých jako spojovací mezery (vodiče), které umožňují buňkám sdílet svůj klidový potenciál se sousedy. Zarovnané a naskládané články (jako například v epitelu) generují transepiteliální potenciály (baterie v sérii) a elektrická pole (obrázky 2 a 3), která se podobně šíří napříč tkáněmi. Těsné spoje (odpory) účinně zmírňují difúzi a únik paracelulárních iontů, což vylučuje zkrat napětí. Tato napětí a elektrická pole společně tvoří bohatá a dynamická schémata (obrázek 5) uvnitř živých těl, která vymezují anatomické rysy , takže v některých případech působí jako plány pro genovou expresi a morfogenezi. Tyto bioelektrické distribuce jsou více než korelace dynamické, vyvíjející se s časem as mikroprostředím a dokonce i vzdálenými podmínkami, které slouží jako poučné vlivy na chování buněk a rozsáhlé vzorování během embryogeneze, regenerace a potlačování rakoviny. Bioelektrické kontrolní mechanismy jsou důležitým objevujícím se cílem pokroku v regenerativní medicíně, vrozených vadách , rakovině a syntetickém bioinženýrství .

Stručná historie oboru: průkopníci v bioelektřině

Moderní kořeny vývojové bioelektřiny lze vysledovat až do celého 18. století. Několik klíčových děl stimulujících svalové kontrakce pomocí Leydenových nádob vyvrcholilo vydáním klasických studií Luigi Galvaniho v roce 1791 (De viribus electricitatis in motu musculari) a 1794. V těchto Galvani myslel, že odhalil vnitřní schopnost produkovat elektřinu v živých tkáních nebo „ živočišná elektřina “. Alessandro Volta ukázal, že záškuby svalů nohou žáby byly způsobeny generátorem statické elektřiny a odlišným kontaktem kovů . Galvani ukázal, ve studii z roku 1794, škubání bez kovové elektřiny tím, že se dotkl svalu nohy odchylným řezem sedacího nervu a definitivně ukázal „zvířecí elektřinu“. Galvani s tímto a souvisejícími experimenty nevědomky objevil proud poranění (únik iontů poháněný neporušenou membránou/epiteliální potenciál) a potenciál poranění (potenciální rozdíl mezi poraněnou a neporušenou membránou/epitelem). Potenciál zranění byl ve skutečnosti elektrický zdroj za kontrakcí nohou, jak si uvědomil v příštím století. Následná práce nakonec rozšířila toto pole široce mimo nervy a svaly na všechny buňky, od bakterií po neexcitabilní savčí buňky.

Na základě dřívějších studií došlo k dalším letmým pohledům na vývojovou bioelektřinu s objevem elektrických proudů a polí souvisejících s ránou ve 40. letech 19. století, kdy jeden ze zakladatelů moderní elektrofyziologie - Emil du Bois-Reymond -oznámil elektrickou aktivitu na makroskopické úrovni u žáby, ryby a lidská těla. Tehdejším nejmodernějším galvanometrem vyrobeným z izolovaných cívek z měděného drátu zaznamenal nepatrné elektrické proudy v živých tkáních a organismech . Odhalil rychle se měnící elektřinu spojenou se svalovou kontrakcí a nervovou excitací- akční potenciály . Současně du Bois-Reymond také podrobně informoval o méně kolísavé elektřině na rány-proud a potenciál zranění-kterou si sám vyrobil.

Obrázek 5 - Některé typy vzorků buněk a jejich klidové potenciály, které odhalují, že se aktivně proliferující a plastické buňky shlukují na depolarizovaném konci kontinua, zatímco terminálně diferencované typy zralých buněk bývají silně polarizované.

Práce s bioelektřinou začaly vážně na počátku 20. století. Od té doby několik vln výzkumu přineslo důležitá funkční data ukazující roli, kterou hraje bioelektřina při kontrole růstu a formy. Ve 20. a 30. letech patřili EJ Lund a HS Burr k nejplodnějším autorům v této oblasti. Lund měřil proudy ve velkém počtu živých modelových systémů a koreluje je se změnami ve vzorování. Naproti tomu Burr použil voltmetr k měření gradientů napětí a zkoumal vyvíjející se embryonální tkáně a nádory u řady zvířat a rostlin. Ukázalo se, že aplikovaná elektrická pole mění regeneraci planarií Marsh a Beamsem ve čtyřicátých a padesátých letech minulého století, což indukuje tvorbu hlav nebo ocasů v místech řezu a obrací primární polaritu těla. Zavedení a vývoj vibrační sondy, prvního zařízení pro kvantitativní neinvazivní charakterizaci extracelulárních minutových iontových proudů, Lionelem Jaffeem a Richardem Nuccittellim, revitalizovalo pole v 70. letech minulého století. Následovali je výzkumníci jako Joseph Vanable, Richard Borgens , Ken Robinson a Colin McCaig, mezi mnoha dalšími, kteří ukázali roli endogenní bioelektrické signalizace při vývoji a regeneraci končetin, embryogenezi, polaritě orgánů a hojení ran . CD Cone studoval roli klidového potenciálu při regulaci buněčné diferenciace a proliferace a následná práce identifikovala specifické oblasti klidového potenciálního spektra, které odpovídají odlišným buněčným stavům, jako je klidový, kmenový, rakovinový a terminálně diferencovaný (obrázek 5).

Ačkoli tato práce generovala značné množství vysoce kvalitních fyziologických dat, tento rozsáhlý přístup biofyziky byl historicky ve stínu pozornosti biochemických gradientů a genetických sítí v oblasti biologického vzdělávání, financování a celkové popularity mezi biology. Klíčovým faktorem, který přispěl k tomu, že tato oblast zaostává za molekulární genetikou a biochemií, je to, že bioelektřina je ve své podstatě živým fenoménem - nelze ji studovat na fixních vzorcích. Práce s bioelektřinou je složitější než tradiční přístupy k vývojové biologii, metodologicky i koncepčně, protože obvykle vyžaduje vysoce interdisciplinární přístup.

Metodika studia bioelektrické signalizace: techniky založené na elektrodách

Zlatými standardními technikami pro kvantitativní extrakci elektrických dimenzí ze živých vzorků, od úrovní buněk po organismus, jsou skleněná mikroelektroda (nebo mikropipeta ), vibrační (nebo samoreferenční) napěťová sonda a vibrační iontově selektivní mikroelektroda . První z nich je ze své podstaty invazivní a dva poslední jsou neinvazivní, ale všechny jsou ultracitlivé a rychle reagující senzory široce používané v mnoha fyziologických podmínkách v rozšířených biologických modelech.

Skleněná mikroelektroda byla vyvinuta ve čtyřicátých letech minulého století ke studiu akčního potenciálu excitovatelných buněk pocházejících z klíčových prací Hodgkina a Huxleyho v obří chobotnici axonů . Je to jednoduše můstek tekuté soli spojující biologický vzorek s elektrodou, chránící tkáně před vyluhovatelnými toxiny a redoxními reakcemi holé elektrody. Díky své nízké impedanci, nízkému spojovacímu potenciálu a slabé polarizaci jsou stříbrné elektrody standardními převodníky iontového do elektrického proudu, ke kterému dochází prostřednictvím reverzibilní redoxní reakce na povrchu elektrody.

Vibrační sonda byla zavedena do biologických studií v 70. letech minulého století. Napěťově citlivá sonda je galvanicky pokovena platinou, aby vytvořila kapacitní kuličku černé špičky s velkým povrchem. Při vibraci v umělém nebo přirozeném gradientu stejnosměrného napětí kapacitní koule osciluje v sinusovém střídavém výstupu. Amplituda vlny je úměrná rozdílu měřicího potenciálu na frekvenci vibrací, účinně filtrována blokovacím zesilovačem, který zvyšuje citlivost sondy.

Vibrační iontově selektivní mikroelektroda byla poprvé použita v roce 1990 k měření toků vápníku v různých buňkách a tkáních. Iontově selektivní mikroelektroda je adaptací skleněné mikroelektrody, kde je iontově specifický kapalný iontový výměník (ionofor) naplněn špičkou do dříve silanizované (aby se zabránilo úniku) mikroelektrody. Mikroelektroda také vibruje na nízkých frekvencích, aby fungovala v režimu přesného autoreferování. Pouze specifický iont prostupuje ionoforem , proto je odečet napětí úměrný koncentraci iontů v podmínkách měření. Poté se tok vypočítá pomocí Fickova prvního zákona .

Rozvíjející se techniky založené na optice, například pH optrode (nebo optode ), které lze integrovat do systému s vlastním odkazem, se mohou stát alternativní nebo doplňkovou technikou v laboratořích bioelektřiny. Optrode nevyžaduje odkazování a je necitlivý na elektromagnetismus, což zjednodušuje nastavení systému a činí z něj vhodnou volbu pro nahrávky, kde je současně aplikována elektrická stimulace.

Velká část práce na funkčním studiu bioelektrické signalizace využila aplikované (exogenní) elektrické proudy a pole prostřednictvím zařízení pro dodávání stejnosměrného a střídavého napětí integrovaného s agarosovými solnými můstky. Tato zařízení mohou generovat nespočet kombinací velikosti a směru napětí, impulsů a frekvencí. V současné době se v oboru prosazuje aplikace elektrických polí zprostředkovaná laboratoří na čipu s možností umožnit vysoce výkonné screeningové testy velkých kombinačních výstupů.

Obrázek 6-Nástroje pro manipulaci s neeurální bioelektricitou zahrnují farmakologické a genetické reagencie pro změnu konektivity buněk (křižovatky kontrolní mezery), mem buňky (řídicí iontové kanály/pumpy) a bioelektricky vedené 2. posly (kontrolní neurotransmitery a další malé molekuly) .

Metodika studia bioelektrické signalizace: činidla a přístupy molekulárního věku

Pozoruhodný pokrok v molekulární biologii za posledních šest desetiletí přinesl účinné nástroje, které usnadňují rozbor biochemických a genetických signálů; přesto nemají tendenci být vhodné pro bioelektrické studie in vivo. Předchozí práce široce spoléhaly na proud aplikovaný přímo elektrodami, oživený významnými nedávnými pokroky ve vědě o materiálech a měření mimobuněčného proudu, usnadněnými sofistikovanými samoreferenčními elektrodovými systémy. Zatímco aplikace elektrod pro manipulaci s neutrálně řízenými tělesnými procesy v poslední době přitahují velkou pozornost, nervový systém je jen špičkou ledovce, pokud jde o příležitosti pro řízení somatických procesů, protože většina typů buněk je elektricky aktivní a reaguje na iontové signály z sebe a své sousedy (obrázek 6).

Za posledních 15 let byla vyvinuta řada nových molekulárních technik, které umožnily zkoumat bioelektrické dráhy s vysokým stupněm mechanického rozlišení a propojit je s kanonickými molekulárními kaskádami. Patří sem (1) farmakologické obrazovky k identifikaci endogenních kanálů a pump odpovědných za specifické události vzorování; (2) fluorescenční reportérová barviva citlivá na napětí a geneticky kódované fluorescenční indikátory napětí pro charakterizaci bioelektrického stavu in vivo; (3) panely dobře charakterizovaných dominantních iontových kanálů, které mohou být misexprimovány v buňkách zájmu za účelem změny bioelektrického stavu požadovanými způsoby; a (4) výpočetní platformy, které přicházejí on-line na pomoc při budování prediktivních modelů bioelektrické dynamiky v tkáních.

Ve srovnání s technikami založenými na elektrodách poskytují molekulární sondy širší prostorové rozlišení a usnadňují dynamickou analýzu v průběhu času. Ačkoli je možná kalibrace nebo titrace, molekulární sondy jsou typicky semikvantitativní, zatímco elektrody poskytují absolutní bioelektrické hodnoty. Další výhodou fluorescenčních a jiných sond je jejich méně invazivní povaha a prostorové multiplexování, umožňující současné sledování velkých ploch embryonálních nebo jiných tkání in vivo během normálních nebo patologických patterovacích procesů.

Role v raném vývoji

Práce v modelových systémech, jako jsou Xenopus laevis a zebrafish , odhalila úlohu bioelektrické signalizace ve vývoji srdce, obličeje, očí, mozku a dalších orgánů. Obrazovky identifikovaly role iontových kanálů při kontrole velikosti struktur, jako je zebrafish ploutev, zatímco zaměřené studie zisku z funkce například ukázaly, že bodyparts lze znovu specifikovat na úrovni orgánů-například vytvořit celé oči ve střevním endodermu . Stejně jako v mozku, vývojová bioelektrika může integrovat informace na významnou vzdálenost v embryu, například jako je kontrola velikosti mozku pomocí bioelektrických stavů ventrální tkáně. a kontrola tumorigeneze v místě exprese onkogenu bioelektrickým stavem vzdálených buněk.

Lidské poruchy, stejně jako četné myší mutanty, ukazují, že bioelektrická signalizace je pro vývoj člověka důležitá (tabulky 1 a 2). Tyto efekty jsou všudypřítomně spojeny s channelopatiemi, což jsou lidské poruchy, které jsou důsledkem mutací, které narušují iontové kanály.

Několik channelopatií má za následek kromě symptomů, které postihují svaly a nebo neurony, také morfologické abnormality nebo vrozené vrozené vady. Například mutace, které narušují vnitřně usměrňující draslíkový kanál Kir2.1, způsobují dominantně zděděný Andersen- Tawilův syndrom (ATS). U pacientů s ATS dochází k periodické paralýze , srdečním arytmiím a mnoha morfologickým abnormalitám, které mohou zahrnovat rozštěp nebo vysoký klenutý patro, rozštěp nebo tenký horní ret, zploštělý filtr , mikrognatii , zubní oligodoncii , hypoplazii skloviny, zpožděnou erupci chrupu, malokluzi, široké čelo, široký soubor oči, nízko posazené uši, syndaktylie , klinodaktylie , brachydaktylie a dysplastické ledviny. Mutace, které narušují další směrem dovnitř usměrňující K+ kanál Girk2 kódovaný KCNJ6, způsobují Keppen-Lubinského syndrom, který zahrnuje mikrocefalii , úzký nosní můstek, vysoký klenutý patro a závažnou generalizovanou lipodystrofii (neschopnost vytvářet tukovou tkáň). KCNJ6 je v kritické oblasti Downova syndromu , takže duplikace, které zahrnují tuto oblast, vedou k abnormalitám kraniofaciálních a končetin a duplikace, které tuto oblast nezahrnují, nevedou k morfologickým symptomům Downova syndromu. Mutace v KCNH1 , napěťově řízeném draslíkovém kanálu, vedou k syndromu Temple-Baraitser (také známý jako Zimmermann -Laband ). Společné rysy Temple-Baraitser syndromu patří chybějící nebo hypoplastický z prstu a drápy a článků prstů a kloubů nestability. Kraniofaciální defekty spojené s mutacemi v KCNH1 zahrnují rozštěp nebo vysoké klenuté patro, hypertelorismus , dysmorfní uši, dysmorfní nos, gingivální hypertrofii a abnormální počet zubů.

Mutace v CaV1.2 , napěťově řízeném kanálu Ca2+, vedou k Timothyho syndromu, který způsobuje závažnou srdeční arytmii (dlouhý QT) spolu se syndaktylií a podobnými kraniofaciálními defekty s Andersenovým-Tawilovým syndromem včetně rozštěpu nebo vysoko klenutého patra, mikrognatie, nízký soubor uši, syndaktylie a brachydaktylie. I když jsou tyto channelopatie vzácné, ukazují, že funkční iontové kanály jsou pro vývoj důležité. Kromě toho in utero expozice antiepileptickým lékům, které se zaměřují na některé iontové kanály, také způsobuje zvýšený výskyt vrozených vad, jako je orální rozštěp. Účinky genetického i exogenního narušení iontových kanálů poskytují pohled na význam bioelektrické signalizace ve vývoji.

Role v hojení ran a vedení buněk

Jednou z nejlépe srozumitelných rolí pro bioelektrické gradienty jsou endogenní elektrická pole na úrovni tkáně využívaná při hojení ran. Je náročné studovat elektrická pole spojená s ránou, protože tato pole jsou slabá, méně kolísavá a ve srovnání s nervovými pulsy a svalovou kontrakcí nemají okamžité biologické reakce. Vývoj vibračních a skleněných mikroelektrod ukázal, že rány skutečně vytvářejí, a co je důležité, udržují měřitelné elektrické proudy a elektrická pole. Tyto techniky umožňují další charakterizaci navinutých elektrických polí/proudů v rohovkových a kožních ranách, které vykazují aktivní prostorové a časové rysy, což naznačuje aktivní regulaci těchto elektrických jevů. Například vinuté elektrické proudy jsou vždy nejsilnější na okraji rány, které se postupně zvyšovaly, aby dosáhly vrcholu asi 1 hodinu po zranění. U ran u diabetických zvířat jsou poraněná elektrická pole výrazně ohrožena. Očekává se, že pochopení mechanismů generování a regulace elektrických proudů/polí rány odhalí nové přístupy k manipulaci s elektrickým aspektem pro lepší hojení ran.

Jak vznikají elektrická pole v ráně? Epitelie aktivně pumpuje a odlišně odděluje ionty. V epitelu rohovky jsou například Na+ a K+ transportovány dovnitř ze slzné tekutiny do extracelulární tekutiny a Cl− je transportována z extracelulární tekutiny do slzné tekutiny. Epitelové buňky jsou spojeny těsnými spoji, tvořící hlavní elektrickou odporovou bariéru, a tím vytvářejí elektrický gradient přes epitel - transepitelový potenciál (TEP). Prolomení epiteliální bariéry, ke kterému dochází u jakýchkoli ran, vytváří otvor, který porušuje vysoký elektrický odpor vytvořený těsnými spoji v epiteliálním listu, a lokálně zkratuje epitel. TEP tedy v ráně klesá na nulu. Normální transport iontů však pokračuje v nezavinutých epiteliálních buňkách za okraj rány (typicky <1 mm daleko), vytlačuje tok pozitivního náboje z rány a vytváří stabilní, laterálně orientované elektrické pole (EF) s katodou v ráně. Kůže také generuje TEP, a když dojde k poranění kůže, vznikají podobné vinuté elektrické proudy a pole, dokud se neobnoví funkce epiteliální bariéry, aby se ukončil zkrat v ráně. Když jsou elektrická pole s vinutím manipulována s farmakologickými činidly, která buď stimulují nebo inhibují transport iontů, elektrická pole se také zvětšují nebo snižují. U ran rohovky lze hojení ran odpovídajícím způsobem urychlit nebo zpomalit.

Jak elektrická pole ovlivňují hojení ran? Aby se rány uzdravily, musí buňky obklopující ránu migrovat a směrově růst do rány, aby zakryly defekt a obnovily bariéru. Buňky důležité pro hojení ran reagují pozoruhodně dobře na aplikovaná elektrická pole stejné síly, která se měří u ran. Celá škála typů buněk a jejich reakce po poranění jsou ovlivněny fyziologickými elektrickými poli. Patří sem migrace a dělení epiteliálních buněk, rašení a prodlužování nervů a migrace leukocytů a endoteliálních buněk. Nejlépe studovaným buněčným chováním je směrová migrace epiteliálních buněk v elektrických polích - elektrotaxe . Epiteliální buňky migrují směrově k zápornému pólu (katodě), což je v ráně polarita endogenních vektorových elektrických polí v epitelu, směřující (pozitivní na negativní) do středu rány. Epitelové buňky rohovky, keratinocyty z kůže a mnoho dalších typů buněk vykazují směrovou migraci při síle elektrického pole tak nízké, jako několik mV mm − 1. Směrově migrují také velké listy jednovrstvých epiteliálních buněk a listy vrstevnatých vícevrstvých epiteliálních buněk. Takový kolektivní pohyb se velmi podobá tomu, co se děje během hojení ran in vivo, kdy se buněčné listy pohybují společně do lůžka rány, aby pokryly ránu a obnovily bariérovou funkci kůže nebo rohovky.

Jak buňky vnímají taková nepatrná extracelulární elektrická pole, zůstává do značné míry nepolapitelné. Nedávný výzkum zahájil identifikaci některých genetických, signálních a strukturálních prvků, které jsou základem toho, jak buňky vnímají a reagují na malá fyziologická elektrická pole. Patří sem iontové kanály, intracelulární signální dráhy, vory membránových lipidů a elektroforéza složek buněčné membrány.

Role v regeneraci zvířat

Na počátku 20. století Albert Mathews seminárně koreloval regeneraci cnidarianského polypu s potenciálním rozdílem mezi polypovými a stolonovými povrchy a ovlivňoval regeneraci ukládáním protiproudů. Amedeo Herlitzka, navazující na šňůry navinutých elektrických proudů svého mentora, du Bois-Raymonda, teoretizoval o tom, že elektrické proudy hrají ranou roli při regeneraci, možná zahájení buněčné proliferace. Marsh a Beams pomocí elektrických polí převažujících nad endogenními generovali úžasně dvojhlavé planární planety a dokonce zcela obrátili polaritu primárního těla, přičemž ocasy rostly tam, kde dříve existovala hlava. Po těchto studiích osiva se v průběhu desetiletí až do současnosti objevily variace na myšlenku, že bioelektřina může cítit zranění a vyvolat nebo být alespoň hlavním hráčem regenerace. Možné vysvětlení spočívá na klidových potenciálech (především Vmem a TEP), což mohou být, alespoň částečně, spící senzory (alarmy) připravené k detekci a efektory (spouště) připravené reagovat na lokální poškození.

V návaznosti na relativní úspěch elektrické stimulace na nepovolující regeneraci žabích končetin pomocí implantované bimetalové tyče na konci šedesátých let byl v příštích desetiletích rozsáhle rozebrán bioelektrický extracelulární aspekt regenerace obojživelných končetin. Díky vývoji ultracitlivé vibrační sondy a vylepšených aplikačních zařízení byla umožněna definitivní popisná a funkční fyziologická data. Amputace vždy vede k vnějšímu proudu poháněnému kůží a následnému bočnímu elektrickému poli, které nastavuje katodu v místě rány. Přestože zpočátku dochází k čistému úniku iontů, nakonec dochází k aktivní složce a blokování iontových translokátorů obvykle zhoršuje regeneraci. Pomocí biomimetických exogenních elektrických proudů a polí bylo dosaženo částečné regenerace, která typicky zahrnovala růst tkáně a zvýšení neuronální tkáně. Naopak vyloučení nebo vrácení endogenního elektrického proudu a polí narušuje regeneraci. Tyto studie regenerace končetin obojživelníků a související studie na lampách a savcích kombinované se studiemi hojení zlomenin kostí a studie in vitro vedly k obecnému pravidlu, že migrace (jako jsou keratinocyty, leukocyty a endoteliální buňky) a přerůstání (například axonů) buněk přispívající k regeneraci podstoupit elektrotaxi směrem ke katodě (původní místo poranění). Shodně je anoda spojena s resorpcí nebo degenerací tkáně, ke které dochází při zhoršené regeneraci a osteoklastické resorpci v kosti. Navzdory tomuto úsilí zůstává příslib významné epimorfní regenerace u savců hlavní hranicí budoucího úsilí, které zahrnuje použití nositelných bioreaktorů k zajištění prostředí, v němž lze řídit regenerační bioelektrické stavy, a pokračujícího úsilí o elektrickou stimulaci.

Nedávná molekulární práce identifikovala tok protonů a sodíku jako důležitý pro regeneraci ocasu u pulců Xenopus a ukázala, že regeneraci celého ocasu (s míchou, svalem atd.) Lze spustit v řadě normálně neregenerativních podmínek buď molekulárně genetické, farmakologické nebo optogenetc metody. V oblasti planaria práce na bioelektrickém mechanismu odhalily kontrolu nad chováním kmenových buněk, kontrolou velikosti při remodelaci, předozadní polaritou a tvarem hlavy. Změna fyziologické signalizace zprostředkovaná spojovacími mezerami produkuje 2hlavé červy v Dugesia japonica; pozoruhodně tato zvířata pokračují v regeneraci jako 2hlavá v dalších kolech regenerace měsíce poté, co činidlo blokující mezerové spojení opustilo tkáň. Tato stabilní, dlouhodobá změna anatomického rozložení, na kterou se zvířata regenerují, bez genomové úpravy, je příkladem epigenetické dědičnosti tělesného vzoru a je také jediným dostupným „kmenem“ planárních druhů vykazujících zděděnou anatomickou změnu, která je odlišná z divokého typu.

Obrázek 7-Změny napětí lze přenést do následných efektorových mechanismů prostřednictvím řady procesů 2. posla, včetně pohybu malých signálních molulů závislých na VEM, jako je serotonin přes transportéry nebo spoje mezer, na napětí citlivé fosfatázy, napěťově řízené kalciové kanály (které spouští kaskády signalizující vápník) a dimerizace receptorů na buněčném povrchu.
Obrázek 8 - Bioelektřina a genetická exprese spolupracují integrovaným způsobem; nic není po proudu.
Obrázek 9 - Misexprese specifických iontových kanálů v různých oblastech embryí žab může vyvolat tvorbu mimoděložních orgánů, jako jsou oči na střevní tkáni.

Role v rakovině

Defekt buněk z normálně těsné koordinace aktivity směrem k anatomické struktuře vede k rakovině; není proto překvapením, že bioelektřina - klíčový mechanismus pro koordinaci buněčného růstu a vzorování - je cílem, který se často podílí na rakovině a metastázách. Skutečně je již dlouho známo, že mezerové spoje mají klíčovou roli v karcinogenezi a progresi. Kanály se mohou chovat jako onkogeny, a jsou proto vhodné jako nové cíle léků. Nedávná práce na modelech obojživelníků ukázala, že depolarizace klidového potenciálu může v normálních buňkách vyvolat metastatické chování, zatímco hyperpolarizace (indukovaná misexpresí iontového kanálu, léky nebo světlo) může potlačit tumorigenezi indukovanou expresí lidských onkogenů. Depolarizace klidového potenciálu se jeví jako bioelektrický podpis, pomocí kterého lze neinvazivně detekovat počínající nádorová místa. Upřesnění bioelektrického podpisu rakoviny v biomedicínských kontextech jako diagnostická modalita je jednou z možných aplikací této oblasti. Ambivalence polarity - depolarizace jako marker a hyperpolarizace jako léčba - umožňuje koncepčně odvodit terapeutické (portugalské terapeutické postupy s diagnostikou), určené k současné detekci a léčbě časných nádorů, v tomto případě na základě normalizace membrány. polarizace.

Role v regulaci vzoru

Nedávné experimenty využívající léky na otvírání/blokování iontových kanálů, stejně jako dominantní misexionce iontových kanálů, v řadě modelových druhů, ukázaly, že bioelektřina, konkrétně gradienty napětí, poučují nejen chování kmenových buněk, ale také rozsáhlé vzorování. Vzorovací podněty jsou často zprostředkovány prostorovými gradienty potenciálů pro odpočinek buněk nebo Vmem, které mohou být transdukovány do kaskád druhého posla a transkripčních změn hrstkou známých mechanismů (obrázek 7). Tyto potenciály jsou nastaveny funkcí iontových kanálů a pump a tvarovány mezerovými spojovacími spojeními, která vytvářejí vývojová oddělení (izopotenciální buněčná pole). Protože jak mezerové spoje, tak iontové kanály jsou samy o sobě citlivé na napětí, skupiny buněk implementují elektrické obvody s bohatou zpětnou vazbou (obrázek 8). Výstupy vývojové bioelektrické dynamiky in vivo představují rozhodnutí ve velkém měřítku, jako je počet hlav v planáriích, tvar obličeje při vývoji žab a velikost ocasu u zebrafish. Experimentální modulace endogenních bioelektrických vzorků umožnila přeměnu oblastí těla (jako je střevo) na celé oko (obrázek 9), což vyvolalo regeneraci přívěsků, jako jsou ocasy pulce, v neregenerativních kontextech, a převod tvarů a obsahu plochých červů do vzorů vhodné pro jiné druhy plochých červů, navzdory normálnímu genomu. Nedávná práce ukázala použití prostředí fyziologického modelování pro identifikaci prediktivních zásahů k cílení bioelektrických stavů pro opravu embryonálních mozkových defektů v rámci řady geneticky a farmakologicky indukovaných teratologií.

Budoucnost oboru

Život je nakonec elektrochemický podnik; výzkum v této oblasti postupuje podél několika hranic. Za prvé je to redukční program porozumění tomu, jak jsou produkovány bioelektrické signály, jak jsou změny napětí v buněčné membráně schopny regulovat chování buněk a jaké jsou genetické a epigenetické navazující cíle bioelektrických signálů. Několik mechanismů, které přenášejí bioelektrickou změnu na alterace genové exprese, je již známo, včetně bioelektrické kontroly pohybu malých molekul druhého posla přes buňky, mezi jinými včetně serotoninu a butyrátu, napěťově citlivých fosfatáz. Známé jsou také četné genové cíle napěťové signalizace, jako je Notch , BMP , FGF a HIF-1α . Proximální mechanismy bioelektrické signalizace v rámci jednotlivých buněk se tedy stávají dobře srozumitelnými a pokroky v optogenetice a magnetogenetice tento výzkumný program nadále usnadňují. Náročnější je však integrativní program porozumění tomu, jak specifické vzorce bioelektrické dynamiky pomáhají řídit algoritmy, které dosahují rozsáhlé regulace vzorů (regenerace a vývoj komplexní anatomie). Začlenění bioelektriky s chemickou signalizací do vznikající oblasti zkoumání senzorického vnímání buněk a rozhodování je důležitou hranicí pro budoucí práci.

Bioelektrická modulace ukázala kontrolu nad komplexní morfogenezí a remodelací, nikoli pouze nastavení identity jednotlivých buněk. Řada klíčových výsledků v této oblasti navíc ukázala, že bioelektrické obvody nejsou lokální-oblasti těla se rozhodují na základě bioelektrických událostí ve značné vzdálenosti. Takové nebuněčné autonomní události naznačují distribuované síťové modely bioelektrické kontroly; pro pochopení zpracování prostorových informací v bioelektricky aktivních tkáních bude možná nutné vyvinout nová výpočetní a koncepční paradigmata. Bylo navrženo, že výsledky z polí primitivního poznávání a nekonvenčních výpočtů jsou relevantní pro program prolomení bioelektrického kódu. Konečně, úsilí v biomedicíně a bioinženýrství vyvíjí aplikace, jako jsou nositelné bioreaktory pro dodávání reagentů modifikujících napětí do míst poranění a léky modifikující iontový kanál (druh elektroceutika) pro opravu vrozených vad a regenerační opravu. Syntetičtí biologové rovněž začínají začleňovat bioelektrické obvody do hybridních konstrukcí.

Tabulka 1: Iontové kanály a pumpy zapojené do vzorování

Protein Morfogenetická role nebo fenotyp LOF (ztráta funkce) Druh Odkaz
TRH1 K + transportér Kořenové vzorování vlasů Arabidopsis
Draslíkový kanál Kir2.1 Křídlové vzorování Drosophila
Kir7.1 K + kanál Kraniofaciální vzorování, vývoj plic Mus musculus
NHE2 Na + /H + výměník Epiteliální vzorování Drosophila
Protonová pumpa V-ATPase Křídlové vzorování vlasů, Pigmentace a vzorování mozku, kraniofaciální vzorování Drosophila, Oryzias latipes, Homo sapiens
HCN1, Kv3.1 K + kanálů Vzorování předního mozku Mus musculus
KCNC1 K + kanál Růstové deficity Mus musculus
Kanál TWIK-1 K + (KCNK1) Srdeční (síňová) velikost Mus musculus
KCNJ6 K + kanál Keppen-Lubinsky syndrom-kraniofaciální a mozkový Homo sapiens
KCNH1 (hEAG1) K + kanál a protonová pumpa ATP6V1B2 V-ATPase Zimmermman-Labandův a Temple-Baraitserův syndrom-kraniofaciální a mozkové defekty, dysplazie/aplazie nehtů palce a palce na noze. Homo sapiens
Chloridový kanál GLRa4 Kraniofaciální anomálie Homo sapiens
KCNJ8 K + Cantu syndrom - obličej, srdce, kostra, mozkové vady Homo sapiens
NALCN (Na + únikový kanál) Freeman-Sheldonův syndrom-končetiny, obličej, mozek Homo sapiens
CFTR chloridový kanál Oboustranná absence vas deferens Homo sapiens
KCNC1 Dysmorfie hlavy/obličeje Homo sapiens
KCNK9, TASK3 K + kanály Birk-Barelův syndrom dysmorfismu-kraniofaciální defekty, defekty mozku (kortikální vzorování) Homo sapiens
Kir6.2 K + kanál Kraniofaciální vady Homo sapiens
Kanál KCNQ1 K + (prostřednictvím epigenetické regulace) Hypertrofie jazyka, jater, sleziny, slinivky, ledvin, nadledvin, genitálií-Beckwith-Wiedemannův syndrom; kraniofaciální a končetinové defekty, raný vývoj Homo sapiens, Mus musculus, Drosophila
Kanál KCNQ1 K + Jervellův a Lange -Nielsenův syndrom - vnitřní ucho a končetina Homo sapiens, Mus musculus
Kanál Kir2.1 K + (KNCJ2) Andersen-Tawilův syndrom-kraniofaciální, končetina, žebra Homo sapiens, Mus musculus
Receptor GABA-A (chloridový kanál) Angelmanův syndrom - kraniofaciální (např. Rozštěp patra) a ruční vzorování Homo sapiens, Mus musculus
Chloridový kanál TMEM16A Tracheální morfogeneze Mus musculus
Girk2 K + kanál Cerebelární vývojové vady Mus musculus
KCNH2 K + kanál Srdeční, kraniofaciální defekty Mus musculus
Kanál KCNQ1 K + Abnormality konečníku, slinivky břišní a žaludku Mus musculus
NaV1.2 Defekty opravy svalů a nervů Xenopus
Kir6.1 K + kanál Defekty vzorování očí Xenopus
V-ATPase iontová pumpa Defekty asymetrie zleva doprava, opravy svalů a nervů Xenopus, Gallus gallus domesticus, Danio rerio
H, K-ATPase iontová pumpa Defekty asymetrie zleva doprava Xenopus, Echinoidea
Kir7.1 K + kanál Melanosomové vývojové vady Danio rerio
Kv kanály Regulace velikosti ploutví, regulace velikosti srdce Danio rerio, Mus musculus
NaV 1,5, Na + /K + -ATPase Srdeční morfogeneze Danio rerio
KCNC3 Dominantní mutace způsobují u lidí cerebelární displasii a u Drosophily žilnost křídel a oční vady. Homo sapiens, Drosophila

Tabulka 2: Spoje mezer implikované ve vzorování

Protein Gap Junction Morfogenetická role nebo fenotyp LOF Druh Reference
Innexiny Morfogeneze gonád a zárodečných linií C. Elegans
Příloha1,2 Vzorkování kůžičky (epitelu), vývoj předžaludku Drosophila
Příloha 2 Velikost očí Drosophila
Cx43 Okulodentodigitální dysplazie (ODDD), srdeční vady (výtokový trakt a konotrunální), randomizace asymetrie vlevo-vpravo, problémy s diferenciací osteoblastů, kraniofaciální defekty, myogeneze Homo sapiens, Mus musculus, Gallus gallus domesticus
Cx37 Vzorování lymfatického systému Mus musculus
Cx45 Srdeční vady (polštářování) Mus musculus
Cx50, Cx46 Oční vady (problémy s diferenciací a proliferací, zejména čočky), Mus musculus
Cx26 Vady kochleárního vývoje Mus musculus
Cx4,8 Defekty pigmentačního vzoru Danio rerio
Cx43 Regulace velikosti a vzoru
ploutví Kraniofrontonazální syndrom
Danio rerio, Mus musculus
Inx4, Inx2 Diferenciace zárodečné linie a spermatogeneze Drosophila
Pannexin 3 Vývoj kostry Mus musculus

Tabulka 3: Onkogeny iontového kanálu

Protein Druh Reference Role rakoviny
NaV 1,5 kanál Homo sapiens Onkogen
ERG draslíkové kanály Homo sapiens Onkogen
9 draslíkový kanál Mus musculus Onkogen
Duktin (složka protonové V-ATPázy) Mus musculus Onkogen
Transportér SLC5A8 sodný/butyrát Homo sapiens Onkogen
KCNE2 draslíkový kanál Mus musculus Onkogen
KCNQ1 draslíkový kanál Homo sapiens , myš Onkogen
Napěťově řízený sodíkový kanál SCN5A Homo sapiens Onkogen
Metabotropní glutamátový receptor Mus musculus , člověk Onkogen
CFTR chloridový kanál Homo sapiens Potlačovač nádoru
Connexin43 Homo sapiens Potlačovač nádoru
BKCa Homo sapiens Onkogen
Muskarinový acetylcholinový receptor Homo sapiens, Mus musculus Potlačovač nádoru
KCNJ3 (Girk) Homo sapiens Onkogen

Reference