Los biólogos de la Universidad de Tufts han demostrado por primera vez que los patrones eléctricos en el embrión en desarrollo pueden predecirse, mapearse y manipularse para prevenir defectos causados por sustancias nocivas como la nicotina. La investigación, publicada hoy en Comunicaciones de la naturaleza , sugiere que enfocarse en los estados bioeléctricos puede ser una nueva modalidad de tratamiento para la reparación regenerativa en el desarrollo del cerebro y la enfermedad, y que los métodos computacionales pueden usarse para encontrar estrategias de reparación efectivas.
En un embrión en desarrollo, la membrana externa de cada célula contiene canales de proteínas que transportan iones negativos y positivos, generando gradientes de voltaje a través de la pared celular. Los grupos de células crean patrones de voltaje de membrana que preceden y controlan la expresión de genes y la morfología.cambios que ocurren en el curso del desarrollo.
"Los estudios centrados en la expresión génica, los factores de crecimiento y las vías moleculares nos han proporcionado una comprensión mejor pero aún incompleta de cómo las células se organizan en sistemas de órganos complejos en un embrión en crecimiento", dijo el profesor Michael Levin, Ph.D.,autor correspondiente del estudio y director del Centro Allen Discovery de la Universidad de Tufts. "Ahora estamos comenzando a ver cómo los patrones eléctricos en el embrión guían los patrones a gran escala de tejidos, órganos y extremidades. Si podemos decodificar esta comunicación eléctrica entrecélulas, entonces podríamos usarlo para normalizar el desarrollo o apoyar la regeneración en el tratamiento de enfermedades o lesiones ".
Para ayudar a descifrar ese código, Levin y el autor principal Vaibhav Pai, Ph.D., un investigador científico II en el Centro de Descubrimiento Allen en Tufts, exploraron si era posible usar un modelo computacional para predecir los patrones bioeléctricos que ocurren enembriones normales y expuestos a la nicotina, y luego usar el modelo para identificar reactivos que podrían restaurar el patrón normal incluso en presencia del teratógeno una clase de moléculas que inducen defectos de nacimiento. En los humanos, la nicotina se ha relacionado con la morbilidad prenatal,muerte súbita infantil, trastorno de hipersensibilidad por déficit de atención TDAH y otros déficits en la función cognitiva, el aprendizaje y la memoria.
Estudios anteriores sugirieron que estos defectos pueden ser el resultado de la despolarización de las células de nicotina en el embrión al inducir a los receptores de acetilcolina a bombear iones de sodio y potasio cargados positivamente. Levin y Pai plantearon la hipótesis de que la interrupción del pre-patrón bioeléctrico normal que impulsa el patrón cerebral podría serla causa subyacente de estos defectos y que restaurar este patrón podría rescatar esos defectos.
Pai trabajó con Alexis Pietak, Ph.D., investigador principal en el Centro de Descubrimiento Allen en Tufts, quien desarrolló una poderosa plataforma de simulación computacional, llamada Motor de Simulación de Tejido BioElectric BETSE, para crear un mapa dinámico defirmas de voltaje en un embrión de rana en desarrollo. El motor de simulación disponible para descarga gratuita fue construido sobre un modelo biológicamente realista de concentraciones y flujos de iones y parámetros de comportamiento de los canales iónicos derivados de estudios moleculares. El modelo BETSE reprodujo con precisión el patrón distintivo de la membranavoltaje del desarrollo cerebral embrionario normal, y también explicó el patrón eléctrico "aplanado" borrado observado como resultado de la exposición a la nicotina.
Los investigadores de Tufts pudieron usar BETSE para explorar el efecto de varios reactivos en el mapa de voltaje del embrión. Un reactivo en particular, el canal dependiente de nucleótido cíclico activado por hiperpolarización HCN2, cuando se agrega a las células en el modelo,hiperpolarización mejorada selectivamente gran carga negativa interna en áreas donde fue disminuida por la nicotina. El efecto, similar a aumentar el contraste en un editor de fotos, restauró efectivamente el patrón eléctrico normal.
Notablemente, la expresión de HCN2 en embriones vivos los rescató de los efectos de la nicotina, restaurando un patrón bioeléctrico normal, morfología cerebral, marcadores de expresión génica y capacidad de aprendizaje casi normal en el renacuajo.
"Este es un paso importante que proporciona un modelo realista que une las escalas molecular, celular, bioeléctrica y anatómica del embrión en desarrollo. Agregar el componente bioeléctrico fue fundamental para hacer que la búsqueda de estrategias terapéuticas sea más manejable", dijo Levin, el profesor de biología Vannevar Bush en la Facultad de Artes y Ciencias de Tufts.
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Materiales proporcionados por Universidad de Tufts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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