Более ранние исследования показали, что никотин нарушает нормальные электрические паттерны в мозгу растущего эмбриона, в основном вымывая или уменьшая контраст биоэлектрической схемы – «карты» различных уровней напряжения вокруг клеток, которая определяет паттерн и рост тканей и органов. Никотин у людей был связан с пренатальной заболеваемостью, внезапной детской смертью, синдромом гиперчувствительности с дефицитом внимания (СДВГ) и другими нарушениями когнитивных функций, обучения и памяти, но оставалось много вопросов о том, как эта молекула вызывает структурные дефекты в головном мозге.
Авторы применили никотин к развивающимся эмбрионам лягушки для создания нервных дефектов с целью выявления конкретных вмешательств, которые могли бы обратить вспять вредное воздействие химического вещества. Их предыдущее исследование выявило один конкретный элемент в естественной электрической передаче сигналов, который контролирует развитие мозга, – активируемый гиперполяризацией циклический нуклеотид-управляемый канал-2 (HCN2), который смог восстановить биоэлектрические паттерны – так же, как увеличение контраста с помощью редактирования фотографий. инструмент – и защитит от никотин-индуцированных дефектов.
В этом исследовании есть два важных новых открытия.
Во-первых, в отличие от предыдущей работы, в которой для исправления дефектов использовалась форма генной терапии, изменяющая экспрессию HCN2, новые эксперименты показали, что тот же эффект может быть достигнут без введения гена – вместо этого для лечения использовались низкомолекулярные препараты. активировать каналы HCN2, уже присутствующие в эмбрионе лягушки. Во-вторых, исследователи продемонстрировали, что информация о формировании электрического паттерна, которая управляет развитием мозга, может быть сброшена из удаленного места на эмбрионе.
«Что было примечательно в экспериментах в этом исследовании, так это то, что, когда мы увеличили экспрессию HCN2 на расстоянии от мозга, в ненейронных областях, дефекты в мозге все еще были исправлены или предотвращены», – сказал Майкл Левин, профессор Vannevar Bush. биологии в Школе искусств и наук Университета Тафтса и директор Центра открытий Аллена в Тафтсе. «Мы увидели, что HCN2 в одной части эмбриона может восстановить биоэлектрическую структуру не только локально, но и на расстоянии."
«Инструкции по созданию полностью выросшего животного, включая такие сложные органы, как мозг, распределены между всеми клетками эмбриона», – добавил он. «Эти результаты предполагают, что нам, возможно, не придется напрямую нацеливаться на поврежденный регион, и мы можем использовать лекарства вместо генетических манипуляций, что открывает множество возможностей для биомедицинского применения."
В развивающемся эмбрионе биоэлектрические сигналы помогают управлять формированием паттерна тканей и органов, а также регенерацией после травмы. Они образованы электрически заряженными ионами, которые входят в клетки и выходят из них, создавая разность напряжений на клеточных мембранах. Характер разницы в напряжении между всем ансамблем клеток эмбриона помогает управлять асимметрией между левой и правой сторонами тела, формированием и развитием сердца, мышц, конечностей и лица и, конечно же, ростом и организацией самых сложных орган в теле – мозг.
Вычислительная модель ансамбля клеток, представляющих эмбрион, и его электрические схемы подтвердила, что спасение нормального развития мозга от повреждения никотином не требует специфического воздействия на поврежденную область.
HCN2 увеличивает гиперполяризацию клетки (увеличение внутренних отрицательных зарядов), поэтому, когда модель просили гиперполяризовать небольшой участок ткани вдали от мозга, этот участок мог распространяться и восстанавливать поляризацию областей на всем пути к мозгу, задавая этап для нормального развития.
«Когда мы думаем о врожденных дефектах, особенно связанных с мозгом, эти результаты предполагают, что нам не нужно нацеливаться на конкретную поврежденную область. «Мы можем разместить исправление почти в любом месте эмбриона, и информация будет передаваться с остальной частью эмбриона, чтобы вернуть инструкции тела в нормальное состояние», – сказал Вайбхав Пай, доктор философии.D., научный сотрудник Центра открытий Аллена в Тафтсе и первый автор исследования. «Это заставило нас задуматься, можем ли мы найти лекарство, которое активирует HCN2, и использовать его для предотвращения дефектов в эмбрионе или даже для устранения дефектов, которые уже возникают?"
Существуют препараты, активирующие HCN2 – ламотриджин и габапентин – и они уже одобрены FDA для других показаний. Исследователи снова подвергли эмбрионы лягушки никотину, а затем лечили их препаратами на разных стадиях эмбрионального развития. Эмбрионы, подвергшиеся воздействию никотина, не леченные лекарствами, привели к тому, что около 68% головастиков имели дефекты мозга. Для сравнения, обработка эмбрионов, подвергшихся воздействию никотина, ламотриджином или габапентином приводила к значительному сокращению дефектов мозга (всего лишь 10% и 16% головастиков с дефектами мозга соответственно).
Восстановление не ограничивалось электрическими и физически наблюдаемыми дефектами, поскольку авторы продемонстрировали, что подвергшиеся воздействию никотина головастики, обработанные препаратами, не только восстанавливали экспрессию генетических маркеров нормального развития мозга, но, что примечательно, демонстрировали нормальную способность к обучению (e.грамм. обучение избегать красного света), который теряется у необработанных головастиков, подвергшихся воздействию никотина, демонстрируя очень полное спасение от молекулярной гистологии к поведению.