Биоэлектричество — что это?

Био-электричество. Бактерии как альтернативный источник энергии

С каждым годом мечты об освоении дальних планет всё больше приближаются к реальности. Сейчас учёные работают над созданием замкнутой системы жизнедеятельности, необходимой для длительного полёта. В Институте медико-биологических проблем проводятся эксперименты, которые ещё совсем недавно показались бы фантастикой.

Полезная утилизация космического мусора

Человечество давно стремится к освоению Солнечной системы. Сейчас учёные спорят, каким должен быть двигатель межпланетного корабля, надо ли возвращать межпланетных путешественников на Землю, как защититься от радиации и создать замкнутую систему жизнедеятельности во время длительного перелёта.

Остро стоит проблема переработки космического мусора. Часть отходов из российского модуля возвращается с грузовым кораблём «Прогресс» на Землю. Во время дальнего космического полёта такой возможности не будет. И здесь на помощь космонавтам могут прийти бактерии.

Учёные лаборатории «Микробная экология» из Института медико-биологических проблем занимаются подобными исследованиями не первый год. Исследуя явление биоэлектричества, учёные пришли к выводу, что, если грамотно использовать процесс переработки и утилизации отходов при помощи бактерий, можно создать маленький биотопливный реактор.

– Средний микробный топливный элемент (МТЭ) даёт примерно 0,7 вольта. При сопротивлении около 100 КОм это можно сравнить с работой ½ пальчиковой батарейки, – объясняет руководитель лаборатории Вячеслав Ильин.

Этого достаточно, чтобы, например, запитать светодиодную лампочку.

– В наше время биоэлектричество как научное направление переживает настоящий ренессанс, – считает Вячеслав Константинович.

Примечательно, что первый источник постоянного тока – гальванический элемент – был изобретён итальянским учёным Вольтом в 1800 году, после того как он ознакомился с работой И. Гальвани «Трактат о силах электричества при мышечном движении», в котором описывается наличие электрического тока в мышцах животных.

Первая «батарейка» была громоздкой, представляла собой столб из цинковых и серебряных кружочков, разделённых смоченной в подсоленной воде бумагой. И вот история биоэлектричества сделала заметный виток. На повестке дня стоит вопрос об использовании микробных топливных

Типичный микробный топливный элемент состоит из двух камер, соединённых протонопроводящей мембраной: закрытой от доступа воздуха анодной камеры с бактериями, где находится электрод (анод), и субстрат, например сточные воды; и катодной камеры с водой.

Бактерии поглощают углеводы и выделяют углекислый газ (СО2) и протоны (Н+), а также электроны (e‑). Протоны через мембрану попадают в катодную камеру. Бактерии избавляются от электронов, сбрасывая их на анод, затем электроны по внешней цепи поступают на катод, где соединяются с протонами и кислородом воздуха, в результате чего образуется вода. Обычно основной процесс МТЭ описывают следующим химическим уравнением: 1/2O2+2e-+2H+=H2O.

Сила тока при этом минимальная – она измеряется микроамперами.

Учёные проводят эксперименты, подзаряжая различные приборы биоэлектричеством, получаемым из сточных вод. Так, на базе Института медико-биологических проблем в течение 520 суток бесперебойно работал анализатор содержания в воздухе СО2 и О2, подпитываемый МТЭ. Микробный топливный элемент был заправлен активным илом, собранным на Курьяновской станции аэрации.

Длительность эксперимента выбрана не случайно: 520 суток – рассчитанная российскими учёными оптимальная длительность полёта исследовательской группы к Марсу и обратно на Землю.

Заправка микробного топливного элемента (МТЭ)

Стерилизат активного ила

В июле 2014 года был проведён эксперимент на борту спутника «Фотон-М4». В течение 30 суток один МТЭ находился в стратосфере на высоте 570 км, где телеметрии можно было следить за продукцией биоэлектричества, а второй такой же – на Земле. Оказалось, что количество биоэлектричества, вырабатываемое в космосе и на Земле, сопоставимо. Приборы заправлялись илом городской станции аэрации.

А ещё сотрудники института исследовали биоэлектрический потенциал гейзеров и термальных источников Камчатки, где тоже скапливается активный ил.

– Соединив последовательно три термальных источника, нам удалось запустить часы, – рассказывает Ильин.

Так, может быть, биоэлектричество станет панацеей в решении проблем альтернативной энергетики?

– Нет, даже если мы захотим получить 220 Вт и последовательно включим пару сотен МТЭ, то мы хоть и получим 220 Вт, но сила тока всё равно будет минимальной – она измеряется в микроамперах, – вносит ясность Денис Коршунов, младший научный сотрудник лаборатории «Микробная экология».

– Мы, конечно, надеялись на лучшее, провели много исследований на Камчатке, проверяли и серные гейзеры, и железистые. Упорно делали замеры, несмотря на то, что к нам подходили медведи и периодически расшвыривали наше оборудование. Но, увы, сила тока минимальна, –

констатирует профессор Ильин.

В результате от замысла использовать МТЭ в промышленных целях пришлось пока отказаться. Сейчас микробные топливные элементы рассматриваются как средство исследования метаболизма бактерий, их внешних дыхательных цепей, ведь бактерии дышат не только кислородом.

Возможно, придёт время использования МТЭ в промышленности. В Голландии, например, уже получают электричество на очистных станциях.

Это стало возможным благодаря дотациям государства, которое финансирует разработки в области альтернативных источников энергии. Но пока электростанции на полях аэрации не окупаются.

Энергия внутри нас

Бактерии, которые живут в организме человека, по мнению учёных, могли бы принести ощутимую пользу в борьбе с тяжёлыми заболеваниями.

– Поперечно-ободочная кишка человека может служить средой для работы микробных топливных элементов, – рассуждает Денис Коршунов.

Размеры такого МТЭ могут достигать всего нескольких квадратных сантиметров, а энергии, которая будет вырабатываться, вполне хватит для подзарядки кардиостимулятора, диабетической помпы, слухового аппарата или другого встроенного в организм медицинского устройства.

На борту космического корабля это, конечно, не пригодится, поскольку на орбите работают люди, у которых нет проблем со здоровьем. Зато МТЭ могут помочь в создании замкнутого жизненного цикла во время длительных межпланетных путешествий.

В 2021 году в космос будет запущен спутник «Бион-М2». Полёт пройдёт на высоте 1000 км. Там бактериям устроят испытание: в их деятельность будут привноситься факторы радиации, тяжёлого неионизирующего излучения и ослабленного магнетизма.

– Я смотрю на жизнь оптимистично и надеюсь, что прорыв в использовании биоэлектричества ещё впереди. На мой взгляд, это может произойти, если неожиданно найдётся микроорганизм, или новый штамм, или новое техническое решение, благодаря которому удастся поднять амперные составляющие этого процесса. Мы над этим работаем, – резюмирует Вячеслав Ильин.

Поперечно-ободочная кишка человека может служить средой для работы микробных топливных элементов.

Сотрудники лаборатории «Микробная экология» готовят космическое испытание для бактерий

В аппарате «Фотон-М» размещают научную аппаратуру и биообъекты (пять гекконов, мух-дрозофил, семена растений и множество микроорганизмов), которым предстоит отправиться в двухмесячный космический полёт. Космический аппарат «Фотон-М4» предназначен для проведения в условиях микрогравитации экспериментов, обеспечивающих получение новых знаний по физике невесомости, отработку технологических процессов производства полупроводниковых материалов, биомедицинских препаратов с улучшенными характеристиками, а также проведение биологических и биотехнологических исследований.

Фотографии предоставлены Институтом медико-биологических проблем

Контекстуализация области

Биоэлектричество развития — это раздел биологии, связанный, но отличный от нейрофизиологии и биоэлектромагнетизма. Биоэлектричество развивается к потокам эндогенных людей, трансмембранным и трансэпители градиентам напряжения, а также электрическим токам и полям, создаваемым и поддерживаемым живым клеткам 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 взаимодействие во время формирования и поддержания паттерна. Это отличается от нейронного биоэлектричества (классически называемого электрофизиологией), которое относится к быстрому и кратковременному всплеску в хорошо распознаваемых возбудимых клетках, таких как нейроны и миоциты ; и от биоэлектромагнетизма, который относится к эффекту применяемого электромагнитного излучения, и эндогенных электромагнитов, таких как биофотонное излучение и магнетит.

Терминология и основные определения

Нарушение сплошности внутри / снаружи на поверхности клеток, обеспечиваемое мембраной (конденсатором) из двух слоев липидов , лежит в основе биоэлектричества. Плазматическая мембрана была незаменимой структурой для возникновения и развития жизни. Это обеспечило разделение на части, позволяющее установить дифференциальный градиент напряжения / питания (батарея или источник напряжения) на мембране, что, вероятно, можно использовать раннюю и рудиментарную биоэнергетику, которая питала клеточные механизмы. В ходе эволюции естественных пассивная диффузная среда (носителей заряда) постепенно контролируется за счет приобретения ионных каналов, насосов, обменников и транспортеров. Эти энергетически свободные (резисторы или проводники, пассивный транспорт) или дорогие (источники тока, активный транспорт) транслокаторы устанавливают и точно настраивают градиенты напряжения — потенциалы покоя — повсеместны и важны для физиологии жизни, начиная с 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 электрического барьера (коротком замыкании) мембраны ионы, питаемые градиентом напряжения (электродвижущей силой), диффундируют или утекают, соответственно, через цитоплазму и межклеточные жидкости (проводники), генерируя измеримые токи — чистые потоки Роман — и поля. Некоторые ионы (например, кальций ) и молекулы (например, перекись водорода ) модулируют нацеленные транслокаторы, чтобы произвести ток или усилить, ослабить или даже обратить начальный ток, использованными переключателями.

Эндогенные биоэлектрические сигналы вырабатываются в клетках за счет кумулятивного действия ионных каналов, насосов и транспортеров. Разбудимых клетках потенциала покоя через плазматическую мембрану (Vmem) 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 трансэпители потенциалы (батареи) и электрические поля (рисунки 2 и 3), которые аналогичным образом распространяются по тканям. Плотные соединения (резисторы) эффективно ослабляют парацеллюлярный ионный диффузия и утечка, исключающая короткое замыкание напряжения. Вместе эти напряжения и электрические поля образуют богатые и динамичные паттерны (рис. 5), которые разграничивают анатомические особенности, таким образом действуя как чертежи для экспрессии генов и морфогенеза в некоторых случаях. Эти биоэлектрические распределения обеспечивают не только корреляции, но и динамичны, развиваются со временем, с микросредами и даже отдаленными условиями, которые служат для улучшения положения клеток и формирования крупномасштабного паттерна во время эмбриогенеза, регенерации и подавления рака. Механизмы биоэлектрического контроля — важная новая цель для достижения регенеративной медицины, врожденных дефектов, рака и синтетической биоинженерии.

Пионеры в области биоэлектричества

Современные корни развития биоэлектричества можно проследить до всего 18 века. Несколько основополагающих работ, стимулирующих сокращение мышц с использованием лейденских сосудов, завершились несколько публикаций классических исследований Луиджи Гальвани в 1791 году (De viribus electricitatis in motu musculari) и 1794 году. новая внутренняя электрическая способность живых тканей или «животное электричество». Алессандро Вольта показал, что подергивание мышц ноги лягушки было вызвано генератором статического электричества и контактом разнородных . Гальвани в своем исследовании 1794 года показал подергивание безобразного электричества при прикосновении к мышце, отклоняющимся металлическим представом седалищного нерва, что определенно показало «животное электричество». Гальвани с помощью этого и связанных с ним экспериментов обнаружил ток повреждения (утечка вызванная интактной мембраной / эпителиальным потенциалом) и потенциал повреждений (разность потенциалов между поврежденной и неповрежденной мембраной / эпителием). Потенциал травмы, по сути, был сокращен электричество, стоящим за ним следствие ног, как это было реализовано в следующем столетии. Последующая работа в конечном итоге расширила эту область, за пределы нервов и мышц, все клетки, бактерий до невозбудимых клеток млекопитающих.

Основываясь на более ранних исследованиях, дальнейшие проблески эволюционного биообразования произошли с открытыми с ранами электрических токов и полей в 1840-х годах, когда один из отцов-основателей современной электрофизиологии — Эмиль дю Буа-Реймон — сообщил о макроскопической активности в организме лягушки, рыб и человека. Он регистрировал мельчайшие электрические токи в живых тканях и организме с помощью современного тотального момента гальванометра, сделанного из ненужных катушек из медной проволоки. Он использовал быстро меняющееся электричество, связанное с сокращением мышц и возбуждением нервов — потенциалы действия. В то же время дю Буа-Реймон также сообщил о меньших колебаниях электричества в ранах — токе и потенциале травмы, — он сделал себе.

Некоторые образцы клеток и их потенциалы покоя, показывающие, активно размножаются и пластичны. клетки группируются в деполяризованном конце континуума, в то время как терминально дифференцированные зрелые клетки имеют тенденцию быть сильно поляризованными.

Работа в области биоэлектричества началась всерьез в начале 20-го века. Получены важные функциональные данные. 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 установлено, что прикладываемые электрические поля изменяют настройку планарий в 1940-х и 1950-х годах, вызывая образование голов или хвостов на участках, 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 Нуччителли, оживили эту область в 1970-х. 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 заживление ран. CD. Коун изучил способность покоя в регулировании дифференцировки и пролиферации состояний, и последующая работа определила оказывает способность покоя, которые соответствуют различным клеткам, таким как покой, ствол, рак и окончательно дифференцированный.

Несмотря на то, что в результате этой работы получен значительный объем высококачественных физиологических данных, этот крупномасштабный биофизический подход исторически находился в тени биохимических градиентов и генетических сетей в области образования, финансирования и биологии. всеобщая популярность среди биологов. Ключевым фактором, способствующим этому направлению в области молекулярной генетики и биохимии, является то, что биоричество по сути является живым явлением — нельзя изучать на фиксированных образцах.

Работа с биоэлектричеством более сложна, чем традиционный подход к биологии развития, как методологически, так и концептуально, поскольку обычно требует в высшей степени междисциплинарного подхода.

Методология изучения передачи биоэлектрических сигналов

Золотым стандартом для количественного определения электрических размеров образцов живых, от клеток до уровней организма, являются стеклянный микроэлектрод (или микропипетка ), вибрирующий (или саморегулирующийся) зонд напряжения и вибрирующий ионный электрод. селективный микроэлектрод. Первый по своей природе инвазивен, два последних неинвазивны, но все они являются сверхчувствительными и реагирующими датчиками, широко используемыми во множестве физиологических состояний в широко распространенных биологических моделях.

Стеклянный микроэлектрод был разработан в 1940-х годах для изучения воздействия возбудимых клеток, основанного на основополагающей работе Ходжкина и Хаксли в гигантском аксонном кальмаре. Это просто жидкий солевой мостик, соединяющий биологический образец с электродом, защищающий ткань от вымываемых токсинов и окислительно-восстановительных пример неизолированного электрода. Благодаря низкому потенциалу перехода и слабой поляризации электроды являются стандартными преобразователями ионного тока в электрическом, которые возникают в результате возникновения окислительно-восстановительной реакции на поверхности электрода.

Вибрирующий зонд был использован в биологических исследованиях. в 1970-е гг. Чувствительный к напряжению зонд покрыт гальваническим покрытием из платины с емкостным шаром с черным наконечником с большой площадью поверхности. При вибрации в искусственном или естественном градиенте напряжения емкостной шарик колеблется на истинном токе синусоидальной формы. Амплитуда волны пропорциональна измеряемой разности потенциалов на частоте вибрации, эффективно фильтруемой синхронным усилителем, повышающей чувствительность зонда.

Вибрирующий ионоселективный микроэлектрод был впервые использован в 1990 году для измерения потока кальция в различных клетках и тканях. Ионоселективный микроэлектрод представляет собой адаптацию стеклянного микроэлектрода, в ионно-специфическом жидком ионообменнике (ионофор) залит на наконечник 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 проникает в условиях измерения. Затем поток вычисляется с использованием первого закона Фика.

Новые оптические методы, например, оптрода pH (или оптода ), который может быть интегрирован в систему саморегулирования может стать альтернативным или дополнительным методом в лаборатория биоэлектричества. Оптрод не требует привязки и нечувствителен к электромагнетизму, что делает упрощенный настройку системы и делает его подход к использованию для записи, в которой используется применяемая электрическая стимуляция.

В большой работе по функциональному изучению биоэлектрической передачи сигналов использовались прикладываемые (экзогенные) электрические токи и поля через устройство постоянного и переменного напряжения, интегрированные с солевыми мостиками агарозы. Эти устройства могут генерировать бесчисленные комбинации величин и направлений напряжения, импульсов и частот.

В настоящее время применения электрических полей, опосредованное лабораторией области кристалле, получает все большее распространение в этой с помощью высокопроизводительных скрининговых анализов больших комбинаторных выходов.

Инструменты для управления ненейронным биоэлектричеством, включая фармакологические и генетические реагенты для изменения связности клеток (управляющие щелевые соединения), клетки V mem (управляющие ионные каналы / насосы) и биоэлектрические управляемые вторые мессенджеры (управляющие нейротрансмиттеры) и другие небольшие молекулы).

Методология изучения биоэлектрических сигналов

Замечательный прогресс в 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 степени основывались на токе, подаваемом непосредственно электродами, способствовали недавние достижения в области образования и измерения внеклеточного тока, чему способствовали сложные системы самореферентных электродов. В то время как применение электродов для управления нейтральными процессами в организме в последнее время привлекает большое внимание, нервная система является лишь верхушкой айсберга, когда речь идет о возможностях управления соматическими процессами, большинством типов клеток электрически активны и реагируют на ионные сигналы от себя и своих соседей.

За последние 15 лет разработан ряд новых молекулярных методов, которые позволили исследовать биоэлектрические пути с высокой степенью механистического разрешения и связать их с каноническими молекулярными каскадами. К ним соединяется (1) фармакологический скрининг для эндогенных каналов и насосов, ответственных за происходящие события паттерна; (2) потенциалочувствительные 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 в режиме онлайн, чтобы помочь в построении прогнозных моделей биоэлектрической динамики в тканях.

По сравнению с электродными методами, молекулярные зонды обеспечивают более широкое пространственное разрешение и упрощают динамический анализ. через некоторое время. 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 в модельных системах, таких как Xenopus laevis и данио, выявила роль биоэлектрической передачи сигналов в развитии сердца, лица, глаз и мозга., и другие органы. 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, биоэлектрики развития могут интегрировать информацию на значительном расстоянии в эмбрионе, например, такую ​​как контроль размера мозга с помощью биоэлектрических состояний вентральной ткани. и контроль туморогенеза в месте экспрессии онкогена за счет биоэлектрического состояния удаленных клеток.

Заболевания человека, а также многочисленные мутанты мышей показывают, что передача биоэлектрических сигналов важна для развития человека.

Эти эффекты широко связаны с каннелопатиями, которые являются заболеваниями человека, возникающими в результате мутаций, нарушающих ионные каналы.

Некоторые каннелопатии приводят к морфологическим аномалиям или врожденным врожденным дефектам в дополнение к симптомам, поражающим мышцы и / или нейроны. Например, мутации, которые нарушают внутреннее выпрямление калиевого канала Kir2.1, вызывают доминантно наследуемый синдром Андерсена-Тавиля (САР). Пациенты с САР испытывают периодические паралич, сердечные аритмии и множественные морфологические аномалии, которые могут включать расщелину или высокое сводчатое небо, расщелину или тонкую верхнюю губу, уплощение желобок, микрогнатия, стоматологическая олигодонтия, гипоплазия эмали, задержка прорезывания зубов, неправильный прикус, широкий лоб, широко посаженные глаза, низко посаженные уши, синдактилия, клинодактилия, брахидактилия и диспластическая почки. Мутации, которые нарушают другой внутренне выпрямляющий канал K + Girk2, кодируемый KCNJ6, вызывают синдром Кеппена-Любинского, который включает микроцефалию, узкую перемычку носа, высокое арочное небо и тяжелая генерализованная липодистрофия (неспособность генерировать жировую ткань). KCNJ6 находится в критической области синдрома Дауна, поэтому дупликации, которые включают эту область, приводят к черепно-лицевым аномалиям и аномалиям конечностей, адупликации, которые не включают эту область, не приводят к морфологическим симптомам синдрома Дауна. Мутации в KCNH1, калиевом канале, управляемым напряжением, приводят к синдрому Темпла-Барайцера (также известного как Циммерман-Лабанд ). Общие признаки синдрома Темпла-Барайцера включают отсутствие или гипоплазию ногтей пальцев рук и ног, фаланг и 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 в CaV1. 2, потенциалзависимый канал Ca2 +, приводит к синдрому Тимоти, который вызывает тяжелую сердечную аритмию (удлиненный QT) наряду с синдактилией и сходными черепно-лицевыми дефектами с синдромом Андерсена-Тавиля, включая расщелина или высоко арочное небо, микрогнатия, низко посаженные уши, синдактилия и брахидактилия. Хотя эти каннелопатии встречаются редко, они показывают, что функциональные ионные каналы важны для развития. Кроме того, внутриутробное воздействие противоэпилептических препаратов, нацеленных на некоторые ионные каналы, также возбудителей случаев врожденных дефектов, таких как расщелина полости рта. Эффекты как генетического, так и экзогенного нарушения ионных каналов позволяют понять передачу биоэлектрических сигналов в развитии.

Роль в заживлении ран и управление клетками

Один из наиболее понятных ролей биоэлектрических градиентов — это эндогенные электрические поля на тканевом уровне, используемые во время заживления ран. Изучать электрические поля, связанные с раной, сложной, потому что эти поля слабые, менее подвержены колебаниям и не вызывают биологических факторов по сравнению с нервными импульсами и сокращением мышц. Разработка вибрирующих стеклянных микроэлектродрирующих электрических полей, что они действительно вызывают и, что важно, выдерживают измеримые электрические токи и электрические поля. Эти методы показывают электрические поля / токи в ране на роговице и в ранах кожи, которые показывают методы пространственные и временные особенности, предполагаемое активное регулирование этих электрических явлений. Например, электрические токи в ране всегда максимально увеличиваются и достигаются максимально через 1 час после травмы. В ранах у диабетических животных электрические поля раны ухудшаются. Ожидается, что понимание механизмов генерации и регулирования электрических токов / полей в ране откроет новые подходы к электрическим параметрам для лучшего заживления ран.

Как 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 основной резистивный электрический барьер и таким образом, создавая электрический градиент через эпителий — трансэпителиальный потенциал (TEP). Нарушение электрического барьера, установленное плотным контактом в эпители листе, локально замыкающее эпителий. Таким образом, ТЭП падает до нуля на ране. Тем не менее, нормальный перенос продолжается в неповрежденных эпителиальных клетках за пределами раны (обычно <1 mm away), driving positive charge flow out of the wound and establishing a steady, laterally-oriented electric field (EF) with the cathode at the wound. Skin also generates a TEP, and when a skin wound is made, similar wound electric currents and fields arise, until the epithelial barrier function recovers to terminate the short-circuit at the wound. When wound electric fields are manipulated with pharmacological agents that either stimulate or inhibit transport of ions, the wound electric fields also increase or decrease, respectively. Wound healing can be speed up or slowed down accordingly in cornea wounds.

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, очень хорошо реагируют на приложенные электрические поля той же силы, которые измеряются в ранах. Наиболее хорошо изученным клеточным поведением наиболее хорошо изученным клеточным поведением является наиболее хорошо изученная миграция эпителиальных клеток в электрических полях — электротаксис. Эпителиальные клетки мигрируют направленно к отрицательному полюсу (катод), который на ране представляет собой полярность. эндогенных векторных электрических полей в эпителии, указы вающую (по положительный к отрицательному) к центру раны. Эпителиальные клетки роговицы, кератиноциты кожи и многие другие клетки вызывают миграцию при напряженности электрического поля всего в нескольких мВ / мм. Большие листы монослойных 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 воспринимают такие мельчайшие внеклеточные электрические поля, остается в степени неуловимым. Новые исследования определяют некоторые генетические, сигнальные и структурные элементы, воспринимают небольшие физиологические поля и реагируют на них. К ним ионные каналы, внутриклеточные сигнальные пути, мембранные липидные рафты и электрофорез компонентов клеточных мембран.

Роль в регенерации животных

В начале 20-го века Альберт Мэтьюз коррелировал регенерацию книдарий. Способствует разности потенциалов между поверхностями полипа и столона и влияет на регенерацию путем наложения противотоков. Амедео Херлицка, следуя по стопам своего наставника дю Буа-Раймона, предположил, что электрические токи выполняют роль в регенерации, возможно, запускруя пролиферацию клеток. Используя электрические поля, преобладающие над эндогенными, Марш и Лучшим поразительным образом сгенерировали двуглавых планарий и 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 продолжий до настоящего времени стимулировались. Возможное объяснение заключается в возможном покоя (прежде всего Vmem и TEP), которые могут быть, по крайней мере, неактивными сигналами (сигналами тревоги), готовыми к обнаружению, и исполнительными механизмами (триггерами), готовыми реагировать на локальные повреждения.

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. Д.) запускается в некоторых случаях обычно не регенеративных состояний молекулярно-генетическими, фармакологическими или оптогенетическими методами. У планарий работа над биоэлектрическим механизмом выявляет контроль поведения стволовых клеток, контроль размера во время ремоделирования, передне-заднюю полярность и форму головы. 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 долгосрочное изменение анального строения, в соответствии с которым животные регенерируют без редактирования генома, примером эпигенетического наследования тела, а также является единственным доступным «штаммом» видов планарий, демонстрирующих у защищенные анатомические изменения, отличные от других. от дикого типа.

Изменения напряжения могут быть переданы нижестоящим эффекторным механизмом посредством различных процессов второго мессенджера, включая Vmem-зависимое движение малых сигнальных молекул, таких как серотонин, через транспортеры или щелевые соединения, чувствительные к напряжению фосфатазы, потенциал-управляемые кальциевые каналы (которые запускают каскады кальциевых) сигналов) и димеризация рецепторов на поверхности клетки.

Биоэлектричество и генетическая экспрессия работают вместе интегрированным образом; нет ничего ниже по течению.

Неправильная экспрессия ионных каналов в различных областях эмбриона лягушки может вызвать образование эктопических органов, таких как глаза, на ткани кишечника.

Роль в развитии рака

Дефект клетки обычно от тесной сокращения деятельности к анатомической структуре приводят к раку; Поэтому неудивительно, что биоэлектричество — ключевой механизм клеток быстрого роста, вызывающий паттерна — часто мишенью вызывающей рак и метастазирование. Действительно, давно известно, что щелевые контакты играют ключевую роль в канцерогенезе и прогрессировании. Каналы могут вести себя как онкогены и поэтому подходят в качестве мишеней для новых лекарств. Недавняя работа с моделями может подавлять онкогенез, вызванный экспрессией человеческих онкогенов, вызванной неправильной экспрессией ионных каналов, лекарствами или светом, может запускать метастатическое поведение в нормальных клетках, в то время как гиперполяризация. Деполяризация возможности покоя, по-видимому, является биоэлектрической сигнатурой, с помощью которой участки зарождающейся опухоли могут быть обнаружены неинвазивно. Уточнение биоэлектрической сигнатуры рака в биомедицинском контексте этого метода является одним из применений области. Интересно, что амбивалентность полярности — деполяризация как маркер и гиперполяризация как лечение — делают концептуально возможное терапевтическое терапевтическое (портманто терапия с диагностикой) подходы, предназначенные для одновременного обнаружения и лечения ранних опухолей, в данном случае на основе нормализации мембраны. поляризация.

Роль в регуляции паттернов

Недавние эксперименты с использованием препаратов, открывающих / блокирующих ионные каналы, а также неправильной экспрессии доминирующих ионных каналов у ряда 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 (рисунок 8). Результаты онтогенетической биоэлектрической динамики 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 головастика в нерегенеративных контекстах, и преобразование плоский червь форма и содержимое головы соответствуют рисунку, соответствующему другим видам 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 в условиях ряда генетических и фармакологически индуцированных тератологий.