stringtranslate.com

Электротакси

Электротаксис , также известный как гальванотаксис , представляет собой направленное движение биологических клеток или организмов, направляемое электрическим полем или током . [1] Направленное движение электротаксиса может принимать различные формы, такие как рост, развитие, активное плавание и пассивная миграция. [1] [2] Большое количество биологических клеток может естественным образом ощущать и следовать за электрическими полями постоянного тока . Такие электрические поля естественным образом возникают в биологических тканях во время развития и заживления . [3] [4] Эти и другие наблюдения привели к исследованию того, как применяемые электрические поля могут влиять на заживление ран [5] [6] [7] Регулярно наблюдается увеличение скорости заживления ран, и считается, что это связано с миграцией клеток и другими сигнальными путями , которые активируются электрическим полем. [8] Дополнительные исследования были проведены для того, чтобы понять, как применяемые электрические поля влияют на метастазы рака , морфогенез , нейронное руководство, подвижность патогенных бактерий , образование биопленки и многие другие биологические явления. [2] [9] [10] [11]

История

В 1889 году немецкий физиолог Макс Ферворн применил постоянный ток низкого уровня к смеси видов бактерий и заметил, что некоторые из них двигались к аноду , а другие — к катоду . [12] Два года спустя, в 1891 году, бельгийский микроскопист Э. Динёр сделал первый известный отчёт о направленной миграции клеток позвоночных в постоянном токе, явлении, которое он назвал гальванотаксисом . [13] Динёр использовал цинково-медный элемент для подачи постоянного тока в брюшную полость лягушки через пару платиновых электродов. Он обнаружил, что воспалительные лейкоциты собирались на отрицательном электроде . После этих пионерских исследований было показано, что различные типы клеток и организмов реагируют на электрические поля. [10]

Механизм

Понимание основных механизмов, которые вызывают электротаксис, ограничено. Разнообразие биологических клеток и условий окружающей среды делает вероятным, что существует множество различных механизмов, которые позволяют клеткам мигрировать из-за электрических полей. Некоторые исследования показали, что некоторые организмы двигаются пассивно без каких-либо специфических сенсорных механизмов, применяемых для изменения активной подвижности. [14] [15]

Бактерии

В достаточно сильном электрическом поле небольшие клетки могут двигаться как равномерно заряженные частицы [16] или диполи . [17] Другие исследовательские отчеты предполагают, что бактериальные клетки могут воспринимать локальные электрические поля посредством хемотаксиса . [18] [19] [20] Это делается путем обнаружения окислительно-восстановительных молекул, которые образовали градиент относительно уравновешенной электрической поверхности в локальной среде.

Клетки млекопитающих

Метод обнаружения поля в клетках млекопитающих находится в стадии активного изучения и может включать несколько механизмов. На данный момент считается, что перераспределение мембраносвязанных сенсоров, перетаскиваемых кулоновскими силами и электроосмосом на мембране, заставит клетку поляризоваться, а затем мигрировать. [21] Математическое моделирование предполагает, что можно обнаружить изменение концентрации сенсора на 6–10 % по всей клетке. [22] Эксперименты, в которых неоднократно менялась ориентация поля, приложенного к нескольким линиям клеток, предполагают, что поляризация сенсора происходит в относительно быстром масштабе времени, возможно, в течение нескольких секунд, по сравнению с реакцией миграции клеток, которая наблюдается через 5–10 минут. [23] Это позволяет клеткам усреднять по времени изменения направления электрического поля перед миграцией. [23]

Доказательства механизма

Не было обнаружено единого механизма или процесса, посредством которого все клетки подвергаются электротаксису. [24] Однако были исследованы многочисленные объяснения, что привело к значительному объему доказательств и ограниченному пониманию того, как клетки мигрируют с использованием электрических полей. Считается, что электротаксис работает на основе изменений концентрации Ca 2+ , производимых постоянными электрическими полями (dcEFs), из-за того, что воздействие dcEFs может вызывать изменения концентрации, превышающие 1 миллимоль. Кроме того, было обнаружено, что ингибирование кальциевых каналов с использованием Co 2+ или D600 предотвращает электротаксис в большинстве случаев. [25] Клетки, которые демонстрируют электротаксис, подвергаются притоку ионов Ca 2+ на анодной стороне клетки и одновременному снижению концентрации на этой катодной стороне. Считается, что эта перестройка создает силы «тяни-толкай», которые вызывают чистое движение в катодном направлении. Однако этот процесс будет более сложным в клетках с межклеточными кальциевыми хранилищами или потенциалзависимыми кальциевыми каналами . Кроме того, было обнаружено, что потенциалзависимые натриевые каналы , протеинкиназы , факторы роста , поверхностный заряд и электрофорез белков играют роль в электротаксисе. [25] Однако нет никаких сведений о сенсорной молекуле, используемой специально для электротаксиса. [26] Точная роль и функция этих и других клеточных компонентов в электротаксисе до конца не изучены и являются основой текущих исследований. [25]

Сигнальные пути, используемые в электротаксисе

При отсутствии полного объяснения механизма, лежащего в основе электротаксиса, было обнаружено, что определенные сигнальные пути участвуют в электротаксисе. Как в нейтрофилах , так и в кератиноцитах , Чжау и др. экспериментально определили, что физиологические сильные ЭФ вызывают фосфорилирование внеклеточной сигнально-регулируемой киназы (ERK), митоген-активируемой киназы p38 ( MAPK ), Src и Akt на ser 473. При хемотаксисе Src и Akt поляризуются активацией фосфатидилинозитол-3-OH киназы-γ ( PI(3)Kγ ) и ингибированием гомолога фосфаттензина ( PTEN ). [27] В эксперименте фосфорилированный Src поляризовался в направлении миграции под влиянием физиологических сильных ЭФ, как это также наблюдается при хемотаксисе. Фосфатидилинозитол-3,4,5-трифосфат (PtdIns(3,4,5)P 3 ), другая молекула, используемая в сигнализации, поляризовалась к переднему краю клеток HL60 при воздействии EF. После реверсирования EF поляризация PtdIns(3,4,5)P 3 быстро меняла направление миграции на новое. Обработка лантрукулином не предотвратила этого, что указывает на то, что поляризация не зависит от актина. Клетки, в которых был нарушен ген, кодирующий PI(3)Kγ, Pik3cg , демонстрировали сниженные электротаксические ответы. Фармакологическое ингибирование PI(3)K в кератиноцитах дало те же результаты. Аналогично, генетическое нарушение PTEN привело к повышению фосфорилирования ERK и Akt и более сильному электротаксическому ответу. [27] Рассмотрение этих результатов позволяет предположить, что PI(3)Kγ и PTEN участвуют в сигнальном пути, используемом при электротаксисе.

Роль в заживлении ран

Трансэпителиальный потенциал (ТЭП) создается разницей в концентрации ионов через тканевой барьер в организме. У людей градиент существует между самыми внешними и самыми внутренними слоями кожи по всему телу. Этот градиент может варьироваться от 10 мВ до 60 мВ, в зависимости от того, какая часть тела измеряется. Потенциал создается эпителиальными клетками , которые выкачивают ионы Cl- из кожи через апикальную мембрану и транспортируют ионы Na + к базальной стороне эпителия. [26] Это подтверждается экспериментом, в котором транспорт Na + и Cl- увеличивался путем добавления AgNO3 , и наблюдалось соответствующее увеличение мембранного потенциала. Фуросемид , ингибитор оттока Cl- , также уменьшал силу поля в клетках роговицы. [27] Эти потенциалы поддерживаются в других местах тела, например, в желудочно-кишечном тракте, мочевыводящих и дыхательных протоках, а также в эпителии роговицы . [26] [28] Когда эпителий пронзается какой-либо раной, барьер, который устанавливает электрический потенциал, удаляется, и поэтому TEP не может поддерживаться. Это создает боковой EF, идущий от неповрежденного эпителия к краям раны. [26] [29] Эти раневые EF сохраняются до тех пор, пока рана заживает, и участвуют в направлении различных типов клеток к травме, чтобы способствовать выздоровлению [26] [30] Эти боковые поля возникают мгновенно при разрушении эпителия и постепенно увеличиваются до своей максимальной силы. Затем сила тока снижается, но сохраняется на протяжении всего процесса заживления. Сила и направление этих полей одинаковы независимо от размера раны. [27]

Заживление ран кожи — сложный процесс, включающий взаимодействие различных элементов организма, таких как тромбоциты , иммунные клетки, эпителиальные клетки и фибробласты . Этот процесс в значительной степени координируется химическими сигналами, но есть доказательства того, что электротаксис играет дополнительную роль в направлении определенных типов клеток к месту травмы. [26] Во время фазы пролиферации восстановления кератиноциты движутся к катодной стороне ЭФ, возникающих вокруг травмы, приближая их к краю раны. Фактически, эксперименты in vitro показали, что применение физиологической силы ЭФ может перекрывать другие сигналы и направлять клетки к миграции к ране или даже от нее в зависимости от направления поля, независимо от химических факторов. [27] Экспериментально также было обнаружено, что ЭФ влияют на миграцию клеток в клетках пупочной вены человека , дермальных фибробластах и ​​миофибробластах . [26]

Роль в метастазировании рака

Метастазирование рака — это процесс, посредством которого опухоль распространяется из места своего возникновения в организме в отдаленные ткани. Известно, что раковые клетки и опухоли производят и реагируют на электрические токи внутри организма. Было обнаружено, что раковые клетки, изолированные из опухолей мозга, простаты и легких, имеют электротаксисные реакции, и есть данные, предполагающие, что электротаксис может играть роль в метастазировании раковых клеток. [31]

Ссылки

  1. ^ аб Кортезе, Барбара; Палама, Илария Елена; Д'Амон, Стефания; Джильи, Джузеппе (2014). «Влияние электротаксиса на поведение клеток». Интегративная биология . 6 (9): 817–830. дои : 10.1039/c4ib00142g. ПМИД  25058796.
  2. ^ ab Chong, Poehere; Erable, Benjamin; Bergel, Alain (декабрь 2021 г.). «Как бактерии используют электрические поля для достижения поверхностей». Biofilm . 3 : 100048. doi :10.1016/j.bioflm.2021.100048. PMC 8090995 . PMID  33997766. 
  3. ^ Джаффе, Лайонел Ф.; Ванэйбл, Джозеф В. (июль 1984 г.). «Электрические поля и заживление ран». Клиники дерматологии . 2 (3): 34–44. doi :10.1016/0738-081X(84)90025-7. PMID  6336255.
  4. ^ Nuccitelli, Richard (2003). Роль эндогенных электрических полей в заживлении ран . Текущие темы в биологии развития. Том 58. С. 1–26. doi :10.1016/S0070-2153(03)58001-2. ISBN 978-0-12-153158-4. PMID  14711011.
  5. ^ Carley, PJ; Wainapel, SF (июль 1985). «Электротерапия для ускорения заживления ран: постоянный ток низкой интенсивности». Архивы физической медицины и реабилитации . 66 (7): 443–6. PMID  3893385.
  6. ^ Gault, Walter R.; Gatens, Paul F. (1 марта 1976 г.). «Использование постоянного тока низкой интенсивности при лечении ишемических язв кожи». Physical Therapy . 56 (3): 265–269. doi :10.1093/ptj/56.3.265. PMID  1083031.
  7. ^ Свен Олоф Викстрём, Пол Сведман, h; Сведман, P.; Свенссон, H.; Танвир, AS (январь 1999). «Влияние транскутанной стимуляции нервов на микроциркуляцию в неповрежденной коже и волдырях ран у здоровых добровольцев». Scandinavian Journal of Plastic and Reconstructive Surgery and Hand Surgery . 33 (2): 195–201. doi :10.1080/02844319950159451. PMID  10450577.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  8. ^ Чжао, Мин; Пеннингер, Йозеф; Иссерофф, Рослин Ривка (2010). «Электрическая активация путей заживления ран». Advances in Skin & Wound Care . Vol. 1. pp. 567–573. doi :10.1089/9781934854013.567 (неактивен 1 ноября 2024 г.). ISBN 978-1-934854-01-3. PMC  3198837 . PMID  22025904.{{cite book}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка )
  9. ^ Янь, Сяолун; Хань, Цзин; Чжан, Чжипэй; Ван, Цзянь; Чэн, Циншу; Гао, Куньсян; Ни, Юньфэн; Ван, Юньцзе (январь 2009 г.). «Клетки рака легких A549 направленно мигрируют в электрических полях постоянного тока с поляризованными и активированными EGFR». Биоэлектромагнитные явления . 30 (1): 29–35. doi :10.1002/bem.20436. PMID  18618607. S2CID  29927118.
  10. ^ ab McCaig, Colin D.; Rajnicek, Ann M.; Song, Bing; Zhao, Min (июль 2005 г.). «Управление поведением клеток электрическим способом: текущие взгляды и будущий потенциал». Physiological Reviews . 85 (3): 943–978. doi :10.1152/physrev.00020.2004. PMID  15987799.
  11. ^ Бертело, Райан; Докси, Кристина; Нитираджан, Суреш (29 июня 2017 г.). «Электроцевтический подход к ослаблению подвижности патогенных бактерий с использованием микрожидкостной платформы». Micromachines . 8 (7): 207. doi : 10.3390/mi8070207 . PMC 6189992 . PMID  30400398. 
  12. ^ Верворн, Макс (декабрь 1889 г.). «Die Polare Erregung der Protisten durch den galvanischen Strom» [Полярное возбуждение протистов гальваническим током]. Pflügers Archiv für die Gesamte Physiologie des Menschen und der Tiere (на немецком языке). 45 (1): 1–36. дои : 10.1007/BF01789713. S2CID  9083627.
  13. ^ Динёр, Э (1891). «Note sur la sensibilité des leucocytes à l'électricité» [Заметка о чувствительности лейкоцитов к электричеству]. Бюллетень сеансов бельгийского общества микроскопии (на французском языке). 18 : 113–118.
  14. ^ Перл, Рэймонд (1900). «Последние работы по электротаксису». The American Naturalist . 34 (408): 977–979. doi :10.1086/277830.
  15. ^ Карлгрин, Оскар (1900). «Über die Einwirkung des Constanten galvanischen Stromes auf Niedere Organismen». Archiv für Physiologie (1–2): 49–76.
  16. ^ Adler, J.; Shi, W. (1 января 1988 г.). «Гальванотаксис у бактерий». Симпозиумы по количественной биологии в Колд-Спринг-Харбор . 53 : 23–25. doi :10.1101/sqb.1988.053.01.006. PMID  3076081.
  17. ^ Ши, В.; Стокер, Б.А.; Адлер, Дж. (февраль 1996 г.). «Влияние поверхностного состава подвижных видов Escherichia coli и подвижных видов Salmonella на направление гальванотаксиса». Журнал бактериологии . 178 (4): 1113–1119. doi :10.1128/jb.178.4.1113-1119.1996. PMC 177773. PMID  8576046 . 
  18. ^ Oram, Joseph; Jeuken, Lars JC (октябрь 2017 г.). «Таксисы акцепторов электронов Shewanella oneidensis MR-1 и восприятие электродов, находящихся в состоянии окислительного потенциала» (PDF) . Current Opinion in Electrochemistry . 5 (1): 99–105. doi :10.1016/j.coelec.2017.07.013.
  19. ^ Nealson, KH; Moser, DP; Saffarini, DA (апрель 1995 г.). «Анаэробный хемотаксис акцептора электронов в Shewanella putrefaciens». Applied and Environmental Microbiology . 61 (4): 1551–1554. Bibcode : 1995ApEnM..61.1551N. doi : 10.1128/aem.61.4.1551-1554.1995. PMC 167410. PMID  11536689. 
  20. ^ Ким, Беум Джун; Чу, Инджун; Юсуф, Себастьян; Куо, Тиффани; ТерАвест, Микаэла А.; Ангенент, Ларгус Т.; Ву, Минмин (20 сентября 2016 г.). «Напряжение кислорода и градиенты рибофлавина кооперативно регулируют миграцию Shewanella oneidensis MR-1, выявленную с помощью микрожидкостного устройства на основе гидрогеля». Frontiers in Microbiology . 7 : 1438. doi : 10.3389/fmicb.2016.01438 . PMC 5028412. PMID  27703448 . 
  21. ^ Аллен, Грег М.; Могилнер, Алекс; Териот, Джули А. (апрель 2013 г.). «Электрофорез компонентов клеточной мембраны создает направленный сигнал, управляющий гальванотаксисом кератоцитов». Current Biology . 23 (7): 560–568. Bibcode :2013CBio...23..560A. doi :10.1016/j.cub.2013.02.047. PMC 3718648 . PMID  23541731. 
  22. ^ Nwogbaga, Ifunanya; Kim, A Hyun; Camley, Brian A. (2023). «Физические пределы гальванотаксиса». Physical Review E. 108 ( 6–1): 064411. arXiv : 2209.04742v2 . Bibcode : 2023PhRvE.108f4411N. doi : 10.1103/PhysRevE.108.064411. PMID  38243498.
  23. ^ ab Zajdel, Tom J.; Shim, Gawoon; Wang, Linus; Rossello-Martinez, Alejandro; Cohen, Daniel J. (июнь 2020 г.). «SCHEEPDOG: Программирование электрических сигналов для динамической миграции большого количества клеток». Cell Systems . 10 (6): 506–514. doi :10.1016/j.cels.2020.05.009. PMC 7779114 . PMID  32684277. 
  24. ^ Лион, Джонатан Г.; Кэрролл, Шеридан Л.; Мокаррам, Насир; Белламконда, Рави В. (29 марта 2019 г.). «Электротаксис сфероидальных агрегатов глиобластомы и медуллобластомы». Научные отчеты . 9 (1): 5309. Бибкод : 2019NatSR...9.5309L. дои : 10.1038/s41598-019-41505-6. ПМК 6441013 . ПМИД  30926929. 
  25. ^ abc Mycielska, Maria E.; Djamgoz, Mustafa BA (1 апреля 2004 г.). «Клеточные механизмы эффектов постоянного электрического поля: гальванотаксис и метастатическое заболевание». Journal of Cell Science . 117 (9): 1631–1639. doi :10.1242/jcs.01125. PMID  15075225. S2CID  25767554.
  26. ^ abcdefg Цзя, Найсинь; Ян, Цзиньруй; Лю, Цзе; Чжан, Цзяпин (июнь 2021 г.). «Электрическое поле: ключевой сигнал в заживлении ран». Китайский журнал пластической и реконструктивной хирургии . 3 (2): 95–102. doi : 10.1016/S2096-6911(21)00090-X . S2CID  240033107.
  27. ^ abcde Чжао, Мин; Сун, Бин; Пу, Цзинь; Вада, Тейджи; Рейд, Брайан; Тай, Гуанпин; Ван, Фэй; Го, Айхуа; Вальчишко, Петр; Гу, Ю; Сасаки, Такехико; Сузуки, Акира; Форрестер, Джон В.; Борн, Генри Р.; Девреотес, Питер Н.; Маккейг, Колин Д.; Пеннингер, Йозеф М. (июль 2006 г.). «Электрические сигналы контролируют заживление ран через фосфатидилинозитол-3-ОН киназу-γ и PTEN». Nature . 442 (7101): 457–460. Bibcode :2006Natur.442..457Z. doi :10.1038/nature04925. PMID  16871217. S2CID  4391475.
  28. ^ Чжао, Мин (август 2009 г.). «Электрические поля при заживлении ран — главный сигнал, направляющий миграцию клеток». Семинары по клеточной и эволюционной биологии . 20 (6): 674–682. doi :10.1016/j.semcdb.2008.12.009. PMID  19146969.
  29. ^ Цзи, Ран; Тэн, Мяо; Чжан, Цзе; Ван, Вэньпин; Чжан, Цюн; Лв, Яньлин; Чжан, Цзяпин; Цзян, Сюпин (2020). «Электрическое поле подавляет CD9, способствуя миграции кератиноцитов через путь AMPK». Международный журнал медицинских наук . 17 (7): 865–873. doi :10.7150/ijms.42840. PMC 7163358. PMID  32308539 . 
  30. ^ Nuccitelli, Richard; Nuccitelli, Pamela; Li, Changyi; Narsing, Suman; Pariser, David M.; Lui, Kaying (сентябрь 2011 г.). «Электрическое поле вблизи ран кожи человека ослабевает с возрастом и обеспечивает неинвазивный индикатор заживления ран: использование электрических полей для мониторинга заживления ран». Wound Repair and Regeneration . 19 (5): 645–655. doi :10.1111/j.1524-475X.2011.00723.x. PMC 3228273. PMID  22092802 . 
  31. ^ Чжу, Кан; Хм, Николас Р.; Рид, Брайан; Сунь, Цинь; Лутс, Габриэла Г.; Чжао, Мин (26 мая 2020 г.). «Электрические поля при раке молочной железы и коллективном гальванотаксисе раковых клеток». Научные отчеты . 10 (1): 8712. Бибкод : 2020NatSR..10.8712Z. дои : 10.1038/s41598-020-65566-0. ПМК 7250931 . ПМИД  32457381.