В развивающемся эмбрионе внешняя мембрана каждой клетки содержит белковые каналы, которые переносят отрицательные и положительные ионы, создавая градиенты напряжения через клеточную стенку. Группы клеток создают паттерны мембранного напряжения, которые предшествуют и контролируют экспрессию генов и морфологические изменения, происходящие в процессе развития.«Исследования, посвященные экспрессии генов, факторам роста и молекулярным путям, предоставили нам лучшее, но все еще неполное понимание того, как клетки организуются в сложные системы органов в растущем эмбрионе», — сказал профессор Майкл Левин, доктор философии, автор-корреспондент. исследования и директор Центра открытий Аллена в Университете Тафтса. «Сейчас мы начинаем видеть, как электрические паттерны в эмбрионе управляют крупномасштабными паттернами тканей, органов и конечностей. Если мы сможем расшифровать эту электрическую связь между клетками, то мы сможем использовать ее для нормализации развития или поддержки регенерации. при лечении болезней или травм ».
Чтобы помочь расшифровать этот код, Левин и ведущий автор Вайбхав Пай, доктор философии, научный сотрудник II Центра открытий Аллена в Тафтсе, исследовали, можно ли использовать вычислительную модель для прогнозирования биоэлектрических паттернов, которые возникают в нормальных и нормальных условиях. эмбрионы, подвергшиеся воздействию никотина, а затем использовать модель для определения реагентов, которые могут восстановить нормальный образец даже в присутствии тератогена (класс молекул, вызывающих врожденные дефекты). У людей никотин был связан с пренатальной заболеваемостью, внезапной детской смертью, синдромом гиперчувствительности с дефицитом внимания (СДВГ) и другими нарушениями когнитивных функций, обучения и памяти.
Более ранние исследования предположили, что эти дефекты могут быть результатом деполяризации никотина клеток в эмбрионе, заставляя рецепторы ацетилхолина накачивать положительно заряженные ионы натрия и калия. Левин и Пай предположили, что нарушение нормального биоэлектрического препаттерна, которое управляет формированием паттерна мозга, может быть основной причиной этих дефектов, и что восстановление этого паттерна может спасти эти дефекты.Пай работал с Алексисом Пьетаком, доктором философии, основным исследователем Центра открытий Аллена в Тафтсе, который разработал мощную платформу вычислительного моделирования — под названием BioElectric Tissue Simulation Engine (BETSE) — для создания динамической карты сигнатур напряжения. в развивающемся эмбрионе лягушки. Механизм моделирования (доступен для бесплатной загрузки) был построен на биологически реалистичной модели концентраций и потоков ионов, а также параметров поведения ионных каналов, полученных в результате молекулярных исследований.
Модель BETSE точно воспроизвела отчетливую картину мембранного напряжения при нормальном развитии эмбрионального мозга, а также объяснила «сглаженную» (стертую) электрическую картину, наблюдаемую в результате воздействия никотина.Затем исследователи Тафтса смогли использовать BETSE для изучения влияния различных реагентов на карту напряжения эмбриона. В частности, один реагент, активируемый гиперполяризацией канал, управляемый циклическими нуклеотидами (HCN2), при добавлении к клеткам в модели избирательно усиливал гиперполяризацию (большой внутренний отрицательный заряд) в тех областях, где он был уменьшен никотином. Эффект — сродни увеличению контрастности в фоторедакторе — эффективно восстанавливает нормальный электрический рисунок.
Примечательно, что экспрессия HCN2 в живых эмбрионах спасла их от воздействия никотина, восстановив нормальный биоэлектрический паттерн, морфологию мозга, маркеры экспрессии генов и почти нормальную способность к обучению у выросшего головастика.«Это важный шаг, обеспечивающий реалистичную модель, которая объединяет молекулярные, клеточные, биоэлектрические и анатомические масштабы развивающегося эмбриона.
Добавление биоэлектрического компонента имело решающее значение для облегчения поиска терапевтических стратегий», — сказал Левин, Ванневар Буш, профессор биологии в Школе искусств Наук в Тафтсе.