Исследование показывает, что биоэлектрическая передача сигналов регулирует активность двух факторов перепрограммирования клеток (белков, которые могут превращать взрослые клетки в стволовые), которые впервые были проанализированы на эмбрионах Xenopus laevis, которые имеют много общих эволюционных черт с людьми. Результаты опубликованы в журнале Journal of Neuroscience от 11 марта 2015 г.«Мы обнаружили, что клетки общаются даже на больших расстояниях в эмбрионе, используя биоэлектрические сигналы, и они используют эту информацию, чтобы узнать, где сформировать мозг и насколько большим должен быть этот мозг», — говорит автор статьи Майкл Левин, Доктор философии, который возглавляет кафедру биологии Ванневара Буша и руководит Центром регенеративной биологии и биологии развития в Школе искусств и наук в Тафтсе. «Сигналы не просто необходимы для нормального развития, они поучительны».Левин проводит аналогию с компьютером. «Биоэлектрические сигналы — это не просто переключатель, который включает или выключает компьютер, пассивно позволяя ему выполнять свои функции. На самом деле они несут важную информацию, действуя как программное обеспечение, которое позволяет компьютеру выполнять сложные действия».
Эти биоэлектрические сигналы реализуются за счет изменений разности напряжений на клеточных мембранах, называемых клеточным потенциалом покоя, и моделей дифференциальных напряжений в анатомических областях.В биоэлектрической передаче сигналов участвуют разные типы клеток, включая зрелые соматические клетки и стволовые клетки. Предыдущая работа в лаборатории Левина выявила роль биоэлектрических градиентов в формировании паттернов глаз, конечностей и висцеральных органов, а новая статья обнаружила, что естественные эмбриональные градиенты напряжения определяют формирование мозга.Преодоление генетических дефектов «Это последнее исследование также продемонстрировало молекулярные методы« перехвата »этой биоэлектрической коммуникации, чтобы заставить организм создавать новую мозговую ткань в других местах и исправлять генетические дефекты, вызывающие пороки развития мозга», — говорит Левин. «Это означает, что мы можем стимулировать рост новой мозговой ткани для устранения врожденных дефектов или травм головного мозга, что очень интересно для регенеративной медицины».
Речь идет о сигнальном пути Notch, белковой сигнальной системе, которая играет роль в росте и дифференцировке нервных клеток у млекопитающих и большинства других многоклеточных организмов. Дефекты передачи сигналов Notch нарушают развитие мозга, а также связаны с такими заболеваниями, как острый лимфобластный лейкоз Т-клеток и рассеянный склероз. Исследовательская группа обнаружила, что использование молекулярных методов для создания правильных биоэлектрических состояний в клетках позволило им преодолеть дефекты, вызванные неисправностью Notch, что привело к гораздо более нормальному мозгу, несмотря на генетически дефектный белок Notch.«Использование биоэлектрических сигналов для управления формой ткани не требует микроуправления генетикой клеток, которое может иметь серьезные неблагоприятные последствия», — отмечает Вайбхав Пай, доктор философии, первый автор статьи и научный сотрудник лаборатории Левина.
«Биоэлектричество и факторы репрограммирования работают вместе, регулируя судьбу тканей», — говорит Левин. «Для более полного понимания механизмов, с помощью которых передача электрических сигналов взаимодействует с генетическими сетями, необходимы дополнительные исследования. Однако здесь мы показываем два таких шага, включая передачу сигналов кальция и межклеточную коммуникацию через электрические синапсы, известные как щелевые соединения. Мы работаем над применением эти методы в биомедицинском контексте, особенно препараты, модулирующие ионные каналы, — электрокосовтики — для устранения дефектов и стимуляции регенерации мозга ».