研究人员通过重新设计细胞电压模式从大脑缺陷中拯救胚胎

塔夫茨大学生物学家首次证明了显影胚胎中的电气图案可以预测，映射和操纵，以防止由尼古丁等有害物质引起的缺陷。研究，今天发布自然通讯的研究表明，靶向生物电状态可能是脑发育和疾病再生修复的一种新的治疗方式，计算方法可以用来寻找有效的修复策略。

在显影胚胎中，每个细胞的外膜含有蛋白质通道，其运输负离子和正离子，在细胞壁上产生电压梯度。细胞组产生膜电压的图案，其在基因的表达之前和控制基因的表达和在开发过程中发生的形态变化。

“专注于基因表达、生长因子和分子途径的研究，为我们提供了更好但仍不完全的理解，即细胞如何在生长的胚胎中自行排列成复杂的器官系统，”迈克尔·莱文博士说。该研究的通讯作者，塔夫茨大学艾伦发现中心的主任。“我们现在开始看到胚胎中的电模式是如何指导组织、器官和四肢的大规模模式的。如果我们能够解码细胞之间的电子通信，那么我们就可以利用它来正常发育，或者在疾病或损伤的治疗中支持再生。”

为了帮助破译这个密码，Levin和他的第一作者Vaibhav Pai博士，塔夫斯大学艾伦发现中心的研究科学家II，探讨了是否有可能使用一个计算模型来预测正常和尼古丁暴露下的生物电模式胚胎，然后使用模型来识别可能恢复正常的试剂图案即使存在致畸原(一种引起出生缺陷的分子)。在人类中，尼古丁与产前发病率、婴儿猝死、注意力缺陷多动症(ADHD)以及其他认知功能、学习和记忆缺陷有关。

早期的研究表明，通过诱导乙酰胆碱受体在带正电荷的钠和钾离子中泵送乙酰胆碱受体，这些缺陷可能是尼古丁去极化细胞的结果。Levin和Pai假设驱动脑图案的正常生物备用突破可能是这些缺陷的潜在原因，并且恢复这种模式可能会拯救这些缺陷。

PAI与Alexis Pietak，Ph.D.是塔夫茨的Allen Discovery Center的主要调查员，他们开发出一个强大的计算仿真平台 - 称为生物电动组织仿真引擎（BETSE） - 以创建一个动态的电压签名地图开发青蛙胚胎。模拟引擎（可用于免费下载）建立在离子浓度和离子沟道行为的生物浓度和助熔剂和参数的基础上，建立了来自分子研究的离子通道行为的参数。该玻璃模型精确地从正常胚胎脑发育中复制了膜电压的不同图案，并解释了观察到尼古丁暴露的“扁平”（擦除）电气模式。

然后，塔夫茨研究人员能够使用Betse探索各种试剂对胚胎电压图的影响。特别是一种试剂，在模型中加入到模型中的细胞中，在模型中添加到细胞中的超极化激活的循环核苷酸门控通道（HCN2），在尼古丁减少的区域中选择性地增强了超极化（大的内部负电荷）。效果 - 类似拨打照片编辑器中的对比度 - 有效地恢复了正常的电气模式。

值得注意的是，在活胚胎中表达HCN2使它们摆脱了尼古丁的影响，在成年蝌蚪中恢复了正常的生物电模式、大脑形态、基因表达标记和接近正常的学习能力。

“这是重要的一步，它提供了一个现实的模型，连接了正在发育的胚胎的分子、细胞、生物电和解剖尺度。”添加生物电元件对于寻找更易于控制的治疗策略是至关重要的，”塔夫茨艺术与科学学院Vannevar Bush生物学教授Levin说。

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