"Все клетки, а не только нервные клетки, естественным образом генерируют и принимают электрические сигналы. Возможность регулировать такое ненейронное биоэлектричество с помощью множества препаратов с ионными каналами и нейротрансмиттерами, которые уже одобрены людьми, дает нам потрясающий новый инструментарий для увеличения способности иммунной системы противостоять инфекциям », — сказал автор статьи Майкл Левин, доктор философии.D., Ванневар Буш, профессор биологии и директор Центра открытий Аллена в Тафтсе и Центра регенеративной биологии и развития Тафтса в Школе искусств и наук. Левин также является ассоциированным преподавателем Института биологической инженерии Висса при Гарвардском университете.
Все позвоночные, от рыб до людей, обладают двумя типами иммунитета, имеющими общие черты.
Адаптивная иммунная система полагается на память о предыдущем контакте с конкретным патогеном и является основой текущих стратегий вакцинации. Врожденная иммунная система присутствует с момента оплодотворения яйцеклетки и обеспечивает первую линию защиты от патогенов через поверхностные барьеры, антимикробные аминокислоты, называемые пептидами, и определенные клетки крови. Врожденная иммунная система также играет роль в восстановлении и регенерации тканей, и взаимодействие между регенерацией и врожденным иммунитетом является новой областью исследований.
Лучшее понимание врожденного иммунитета может способствовать усилиям по борьбе с новыми патогенами, к которым не сформировалась адаптивная память, решить проблему географической миграции заболеваний, поддержать пациентов с иммунодефицитом и разработать более эффективное лечение травматических повреждений.
Трансмембранный потенциал (Vmem) — потенциал напряжения, вызванный различиями отрицательных и положительных ионов на противоположных сторонах клеточной мембраны, — как известно, играет решающую роль во многих важных функциях многих типов клеток, и исследователи предположили, что он также может влияют на врожденный иммунитет. В исследовании эмбриональные лягушки Xenopus laevis, инфицированные человеческим патогенным E. бактерии coli подвергались воздействию соединений, в том числе используемых в медицине, для деполяризации (положительный заряд) или гиперполяризации (отрицательного заряда) их клеток. Разработка X. лягушки laevis — популярная модель для исследований в области регенерации, развития, рака и нейробиологии.
Снижение смертности от патогенного E. кишечная палочка
Деполяризация с помощью различных агентов значительно увеличила способность эмбрионов сопротивляться бактериям. Доля эмбрионов, которые пережили инфекцию после приема ивермектина, человеческого антипаразитарного средства, увеличилась в среднем на 32 процента по сравнению с эмбрионами, не получавшими деполяризующее соединение. Смертность у необработанных контрольных эмбрионов составляла от 50 до 70 процентов.
Чтобы убедиться, что деполяризующие соединения изменяют электрический заряд клеток-хозяев, а не просто наносят вред бактериям, были проведены дальнейшие эксперименты, в которых в клетки головастиков вводили мРНК, кодирующую (при условии особого генетического языка) определенные ионные каналы, которые деполяризовали бы клетки. клетки лягушки напрямую, не затрагивая бактерии. Этот подход подтвердил то, что наблюдалось с деполяризующими препаратами.
Напротив, инъекция клеток с мРНК, кодирующей гиперполяризующий канал, уменьшала долю выживших инфицированных эмбрионов примерно на 20 процентов. Точно так же выживаемость эмбрионов снижалась из-за воздействия химических соединений, которые гиперполяризовали эмбрионы или препятствовали деполяризации.
Эксперименты также показали, что нейромедиатор серотонин является промежуточным звеном между напряжением и иммунным ответом, что согласуется с другими недавними исследованиями лаборатории Левина. Было показано, что обычный антидепрессант флуоксетин, который блокирует движение серотонина в клеточные мембраны и из них, сводит на нет благотворное влияние деполяризации на выживаемость эмбрионов.
Анализ генов, экспрессия которых была изменена в результате изменения биоэлектрического состояния клеток головастиков, показал, что взаимодействие между напряжением, передачей сигналов нейромедиатора и иммунной функцией влияет на многие из тех же генов, которые участвуют в иммунном ответе человека.
Неожиданная находка: травма повышает иммунитет
Чтобы изучить связь между биоэлектрическими факторами, иммунитетом и регенерацией, в исследовании изучалось влияние ампутации хвостовой почки на выживаемость после инфекции. Удивительно, но удаление хвостовых зачатков эмбрионов увеличило их способность выживать E. кишечная инфекция.
Вместо дополнительного стресса регенерации хвоста, подавляющего эмбрион, травма и инфекция вызвали общие защитные механизмы, включая рекрутирование макрофагов (тип лейкоцитов, являющихся частью врожденной иммунной системы), которые, по-видимому, повышали эффективность устранения бактерии.
«Компоненты врожденной иммунной системы, такие как макрофаги, были известны как важные для процесса регенерации, но новое исследование исследует противоположную и не менее важную сторону этой взаимосвязи — то, как регенерация влияет на иммунную систему», — сказал Жан-Франсуа Паре. , Доктор философии.D., первый автор статьи и научный сотрудник лаборатории Левина. "Взаимодействие между реакцией на физические травмы и инфекцией может открыть новые способы лечения как инфекций, так и тяжелых физических травм."
Вместе с Паэром и Левином в авторстве статьи был Кристофер Дж. Мартынюк из Центра экологической и токсикологии человека и Департамента физиологических наук, Институт генетики Университета Флориды, Колледж ветеринарной медицины, Университет Флориды, Гейнсвилл.
Исследования по распространению этого исследования на системы млекопитающих в настоящее время проводятся в Университете Тафтса и Институте Висс. Также необходимы дальнейшие исследования, чтобы точно определить, какие клетки воспринимают биоэлектрические изменения и передают эффект вовлеченным в них врожденным иммунным клеткам, как сами инфекционные бактерии могут реагировать на изменения в биоэлектрическом микроокружении, а также роль внутреннего микробиома в этих взаимодействиях.