研究人员通过重新设计细胞电压模式从脑缺陷中拯救胚胎

塔夫茨大学生物学家首次证明，可以预测，映射和操纵发育中的胚胎中的电模式，以防止由有害物质（如尼古丁）引起的缺陷。这项研究于今天发表自然通讯，这表明靶向生物电状态可能是用于脑发育和疾病再生修复的新治疗方式，并且可以使用计算方法来寻找有效的维修策略。

在发育中的胚胎中，每个细胞的外膜包含蛋白质通道，这些通道可传递负离子和正离子，从而在整个细胞壁上产生电压梯度。细胞组创造出在基因表达和发展过程中发生的膜电压模式以及在发育过程中发生的形态变化。

“关注基因表达，生长因子和分子途径的研究为我们提供了更好但仍然不完全了解细胞如何在不断增长的胚胎中排列成复杂的器官系统，”通讯作者Michael Levin教授说。塔夫茨大学艾伦发现中心的研究和主任。“我们现在开始看到胚胎中的电气模式如何引导大规模的组织，器官和四肢模式。如果我们可以在细胞之间解码这种电通通信，那么我们可能能够使用它来正常化开发或支持再生在疾病或受伤的治疗中。”

为了帮助破译该代码，莱文（Levin）和首席作家Vaibhav Pai博士是Tufts Allen Discovery Center的研究科学家II，探索了是否可以使用计算模型来预测正常和正常的生物电气模式暴露于尼古丁胚胎，然后使用模型识别可能还原正常的试剂图案即使存在畸胎毒药（一类诱导先天缺陷的分子）。在人类中，尼古丁与产前发病率，猝死，注意力缺陷超敏反应（ADHD）以及认知功能，学习和记忆的其他缺陷有关。

较早的研究表明，这些缺陷可能是通过诱导乙酰胆碱受体泵入正电荷钠和钾离子中尼古丁去极化细胞的结果。莱文（Levin）和帕（Pai）假设，驱动大脑模式的正常生物启示预制的破坏可能是这些缺陷的根本原因，并且恢复这种模式可能会挽救这些缺陷。

PAI与Tufts Allen Discovery Center的主要研究员Alexis Pietak博士合作，他开发了一个强大的计算模拟平台 - 称为生物电组织模拟引擎（BETSE） - 创建一个动态的电压签名图的动态图。开发青蛙胚胎。模拟引擎（免费下载）建立在生物学上现实的离子浓度和磁通模型以及来自分子研究的离子通道行为的参数。BETSE模型准确地复制了正常胚胎脑发育中膜电压的独特模式，并解释了由于尼古丁暴露而观察到的“扁平”（擦除的）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。尤其是一种试剂，当添加到模型中的细胞中时，超极化激活的循环核苷酸门控通道（HCN2），在尼古丁降低的区域中选择性增强了超极化（大内部负电荷）。效果 - 拨打照片编辑器中的对比度 - 有效地恢复了正常的电气图案。

值得注意的是，在活胚中表达HCN2使它们从尼古丁的作用中救出，恢复了正常的生物电动模式，脑形态，基因表达的标志物以及成长t的tadpole中的接近正常学习能力。

“这是一个重要的步骤，它提供了一个现实的模型，该模型桥接了发育中的胚胎的分子，细胞，生物电气和解剖量表。加上生物电机成分对于使治疗策略更加易于探索至关重要。”塔夫茨艺术与科学学院生物学教授Vannevar Bush。