바이오 일렉트릭

Bioelectricity
신경전 신호 전달에 대해서는 활동 전위를 참조하십시오.

발달생물학에서 생물전기는 세포, 조직, 장기 수준의 패턴과 내인성 전기 매개 신호로 인한 행동을 조절하는 것을 말한다.모든 종류의 세포와 조직은 이온 플럭스를 사용하여 전기적으로 통신합니다.생체 전기의 전하 운반체는 이온(충전 원자)이며, 순 이온 플럭스가 발생할 때마다 전류와 전계가 발생합니다.내인성 전류와 필드, 이온 플럭스 및 조직 간의 휴지 전위 차이는 오래되고 보존성이 높은 통신 및 신호 시스템을 구성합니다.생화학적 요인, 전사 네트워크 및 기타 물리적인 힘과 함께 (직렬 및 병렬로) 기능하여 배아 발생, 재생, 암 및 기타 많은 프로세스에서 세포의 행동과 대규모 패턴을 조절합니다.

그림 1 - 패턴 형성 및 수명 [1]동안 유지되는 형태 발생 분야

필드의 컨텍스트화

발달 생물 전기는 신경 생리학 및 생체 전자기학과 관련되지만 구별되는 생물학의 하위 분야이다.발달 생물전기는 내인성 이온 플럭스, 투과막 및 경피전압 구배, 살아있는 세포와 조직에서 [2][3]생성 및 유지되는 전류와 장을 말한다.이러한 전기적 활동은 발생, 재생 및 암 발생 시 종종 사용됩니다. 이는 생체 내 모든 세포를 침범하고 패턴 형성 및 유지 관리 중 상호 작용을 조절하는 복잡한 신호 영역의 한 층입니다(그림 1).이것은 신경 세포와 근육 세포처럼 줄임말=)Blog)흥분한 세포의 및 과도 현상 급속한 불안해요를 말한다 신경 생체 전기(고전적으로 electrophysiology했다),;[4]과 적용된 전자기 방사선의 영향에 대해 언급하고 생체 전자기학, biophoton emissio 같은 내인성 전자기학에서 독특하다.n마그네타이트도 [5][6]있어요

그림 2 - 막 전위와 경피 [7]전위
그림 3 - 각막 상피 간의 전위차 및 창상 전계 [7]발생
그림 4 - 전압 감응형 [8]형광 색소로 얼룩진 개구리 배아의 측면 생체 전위 분포

필드 개요: 용어 및 기본 정의

지질양층막(캐퍼시터)에 의해 가능하게 되는 세포 표면의 내부/외부 불연속은 생체전기의 핵심이다.혈장막은 생명의 기원과 진화에 필수적인 구조였다.그것은 멤브레인 전체에 차압/전위 구배(배터리 또는 전압원)를 설정할 수 있는 구획화를 제공했고, 아마도 세포 [9][10]메커니즘에 연료를 공급하는 초기적이고 기본적인 생체 에너지학이 가능했을 것이다.진화 중에 이온(전하 캐리어)의 순수 수동 확산은 이온 채널, 펌프, 교환기 및 트랜스포터의 획득에 의해 점진적으로 제어된다.이러한 에너지 프리(저항체 또는 도체, 수동 전송) 또는 고가의(전류원, 능동 전송) 트랜스 로케이터는 생체 에너지학, 동작, 감지, 영양소 수송, 독소 제거 및 신호 전달(h)에 이르기까지 어디에나 존재하고 생명 생리학에 필수적인 전압 구배(휴면 전위)를 설정 및 미세 조정한다.오메오스타틱 상태 및 질병/병변 상태.막의 자극 또는 장벽 파괴(단락) 시 전압 구배(기전력)에 의해 구동되는 이온은 세포질 및 간질 유체(도체)를 통해 각각 확산 또는 누출되어 측정 가능한 전류(순 이온 플럭스) 및 필드를 생성합니다.일부 이온(예: 칼슘)과 분자(예: 과산화수소)는 [11][12]전환기인 전류를 생성하거나 초기 전류를 향상, 완화 또는 반전시키기 위해 표적 전달기를 변조합니다.

내인성 생체전기 신호는 이온 채널, 펌프 및 트랜스포터의 누적 작용에 의해 세포에서 생성된다.비흥성 세포에서, 개별 세포의 혈장막(Vmem)을 가로지르는 휴지 전위는 세포들이 이웃과 휴식 전위를 공유할 수 있도록 하는 갭 접합(도체)으로 알려진 전기 시냅스를 통해 거리에 걸쳐 전파된다.정렬 및 적층된 세포(상피 등)는 마찬가지로 조직 [13]전체에 전파되는 경피 전위(직렬 배터리)와 전기장(그림 2 및 3)을 생성한다.밀착 접합부(저항)는 파세포 이온 확산 및 누출을 효율적으로 완화하여 전압 단락을 방지합니다.이러한 전압과 전기장은 함께 해부학적 특징을 구분하는 풍부하고 역동적인 생체 내 패턴(그림 5)을 형성하며, 따라서 경우에 따라서는 유전자 발현과 형태 형성에 대한 청사진과 같은 역할을 한다.상관관계 이상으로, 이러한 생체 전기 분포는 동적이고, 시간과 미세 환경 그리고 심지어 먼 곳의 조건에 따라 진화하고, 배아 발생, 재생 및 암 [3][14][8][15][16]억제 중에 세포 행동과 대규모 패턴 생성에 대한 교훈적인 영향을 준다.생물 전기 제어 메커니즘은 재생 의학, 선천적 결함, 암 및 합성 생물 [17][18]공학 분야의 발전을 위해 새롭게 부상하는 중요한 대상이다.

그 분야의 간단한 역사: 생물 전기의 선구자

발달한 생물 전기의 현대적 뿌리는 18세기 전반으로 거슬러 올라갈 수 있다.레이든 항아리를 이용한 근육수축을 자극하는 몇 가지 중요한 작업은 1791년 루이지 갈바니의 고전 연구 발표로 절정에 달했다.이 중에서 갈바니는 살아있는 조직이나 "동물 전기"에 내재된 전기 생산 능력을 밝혀냈다고 생각되었다.알레산드로 볼타는 개구리의 다리 근육 경련이 정전기 발생기와 전기화학 반응을 일으키거나 촉매 작용을 하는 이종 금속 때문이라는 것을 보여주었다.갈바니는 1794년 연구에서 절단된 좌골 신경으로 다리 근육을 만짐으로써 금속 전기 없이 경련하는 것을 보여주었고, 이는 분명히 "동물 전기"[19][20][21]를 증명했다.자신도 모르는 사이에 갈바니는 이와 관련된 실험을 통해 손상 전류(온전한 막/상피 전위에 의해 구동되는 이온 누출)와 손상 가능성(손상된 막/상피 간 전위차)을 발견했다.부상 가능성은 사실 다음 [22][23]세기에 실현된 다리 수축의 배후에 있는 전기원이었습니다.후속 연구는 궁극적으로 이 분야를 신경과 근육을 넘어 박테리아에서 흥분하지 않는 포유동물 세포에 이르기까지 모든 세포로 확대했다.

초기 연구를 바탕으로 1840년대에 창상 관련 전류와 장이 발견되면서 발달한 생체 전기에 대한 더 많은 일별이 발생했는데, 이때 현대 전기생리학 창시자 중 한 명인 에밀 뒤 부아-레몽은 개구리, 물고기 및 인체에서 거시적인 수준의 전기 활동을 보고했다.그는 절연된 구리선 코일로 만들어진 당시 최첨단 검류계를 사용하여 살아있는 조직과 유기체의 미세한 전류를 기록했습니다.그는 근육 수축과 신경 흥분과 관련된 빠르게 변화하는 전기,[24][25][26] 즉 활동 잠재력을 공개했다.동시에,[27][28] du Bois-Remond는 부상 전류와 잠재력 등 상처에 대한 전기 요동이 적다고 상세하게 보고했습니다.

그림 5 - 일부 샘플 세포 유형과 그 휴지 잠재력은 능동 증식 및 플라스틱 세포가 연속체의 탈분극 말단에서 군집하는 반면, 말단 분화 성체 세포 유형은 강한 [29]분극 경향을 보인다.

생물 전기 작업은 20세기 [30][31][32][33][34][35]초에 본격적으로 시작되었다.그 이후로, 여러 차례의 연구가 성장과 형태를 조절하는 데 있어 생물 전기의 역할을 보여주는 중요한 기능적 데이터를 만들어냈다.1920년대와 1930년대에 E. J. Lund와[36] H. S. Burr은[37] 이 [29]분야에서 가장 다작한 작가들 중 일부였다.다수의 살아있는 모델 시스템에서 측정된 전류를 패턴의 변화와 연관시킵니다.이와는 대조적으로 버는 전압계를 사용하여 다양한 동물과 식물에서 발생하는 배아 조직과 종양을 조사했습니다.응용 전기장은 1940년대와 1950년대에 [38][39]Marsh와 Beams에 의해 플라나리아의 재생을 변화시켜 절단 부위에 머리나 꼬리의 형성을 유도하여 1차 신체 극성을 역전시키는 것으로 입증되었다.1970년대 리오넬 재페와 리처드 누치텔리에 [40]의해 세포외 미세 이온 전류의 양적 비침습적 특성화를 위한 최초의 장치인 진동 탐침의 도입과 개발이 이 분야를 활성화시켰다.그 뒤를 이어 조지프 바너블, 리처드 보겐스, 켄 로빈슨, 콜린 맥케이그 등의 연구자들이 사지의 발달과 재생, 태생, 장기 극성, 상처 [41][42][43][44][45][46][23][47]치유에 있어 내인성 생체 전기 신호 전달의 역할을 보여주었다.C.D. 콘은 세포[48][49] 분화와 증식을 조절하는 데 휴지 전위의 역할을 연구했고 후속 연구는[50] 휴지, 줄기, 암 및 말단 분화와 같은 별개의 세포 상태에 해당하는 휴지 전위 스펙트럼의 특정 영역을 식별했다(그림 5).

비록 이 작업이 상당한 양의 고품질 생리 데이터를 생성했지만, 이 대규모 생물물리학 접근법은 생물학 교육, 자금 지원 및 생물학자 사이의 전반적인 인기에 있어 생화학적 구배와 유전자 네트워크의 주목을 받아왔다.분자 유전학과 생화학에 뒤처진 이 분야에 기여한 중요한 요인은 생체전기가 본질적으로 살아있는 현상이라는 것입니다. 즉, 고정된 표본에서는 연구될 수 없습니다.생물 전기로 작업하는 것은 방법론적으로나 개념적으로 개발 생물학에 대한 전통적인 접근법보다 더 복잡하다. 왜냐하면 일반적으로 고도로 학문적인 [15]접근법이 필요하기 때문이다.

생체전기 시그널링 연구방법: 전극 기반 기술

세포에서 생물 수준에 이르기까지 살아있는 시료에서 전기 치수를 정량적으로 추출하는 골드 스탠다드 기술은 유리 마이크로 전극(또는 마이크로핏), 진동(또는 자기 참조) 전압 프로브 및 진동 이온 선택형 마이크로 전극입니다.전자는 본질적으로 침습적이고 후자는 비침습적이지만, 모두 광범위한 생물학적 모델에서 [52][53][11][54][23]과도한 생리 조건에서 광범위하게 사용되는 초민감하고[51] 반응 속도가 빠른 센서이다.

유리 미세전극은 1940년대에 호지킨과 헉슬리의 거대한 축삭 [55][56]오징어에서의 주요 연구로부터 파생된 흥분성 세포의 활동 가능성을 연구하기 위해 개발되었다.생물학적 검체와 전극을 연결하는 단순한 액체 염분 브릿지로, 맨 전극의 침출성 독소와 산화환원 반응으로부터 조직을 보호합니다.낮은 임피던스, 낮은 접합전위 및 약한 편광으로 인해 은 전극은 전극 [57]표면에서 가역적 산화환원반응을 통해 발생하는 전류에 대한 이온의 표준 변환기이다.

진동 탐침은 1970년대에 [58][59][40]생물학 연구에 도입되었다.전압 감응 프로브는 백금으로 전기 도금되어 표면적이 큰 정전용량성 검은색 팁 볼을 형성합니다.인공 또는 자연 DC 전압 구배에서 진동하는 경우 정전식 볼은 사인파 AC 출력으로 진동합니다.파형의 진폭은 진동 주파수에서의 측정 전위차에 비례하며, 프로브의 [40][60][61]감도를 높이는 록인 앰프에 의해 효율적으로 필터링됩니다.

진동 이온 선택형 마이크로 전극은 1990년에 다양한 세포와 [62]조직의 칼슘 플럭스를 측정하기 위해 처음 사용되었습니다.이온 선택형 마이크로 전극은 유리 마이크로 전극을 채택한 것으로, 이온 특이 액체 이온 교환기(이오노포어)가 이전에 실란화된(누설을 방지하기 위해) 마이크로 전극에 팁이 채워집니다.또, 마이크로 전극은 저주파로 진동해, 정확한 자기 기준 모드로 동작한다.이오노포어에 침투하는 것은 특정 이온뿐이므로 전압 판독치는 측정 조건에서의 이온 농도에 비례한다.그런 다음 Fick의 제1법칙을 [60][63]사용하여 플럭스가 계산됩니다.

예를 들어 자기 참조 시스템에 통합될 수 있는 pH 옵트로드(또는 옵토드)와 같은 새로운 광학 기반 [64]기법은 바이오 전기 실험실에서 대체 또는 추가 기법이 될 수 있다.광전극은 참조할 필요가 없으며 전자기에[65] 민감하지 않으며 시스템 설정을 단순화하고 전기 자극을 동시에 가하는 녹음에 적합한 옵션입니다.

생체 전기 신호를 기능적으로 연구하기 위한 많은 작업은 아가로스 [66]염교와 통합된 직류 및 교류 전압 전달 장치를 통해 인가된(외인) 전류와 필드를 활용했습니다.이러한 장치는 전압 크기와 방향, 펄스 및 주파수를 무수히 조합하여 생성할 수 있습니다.현재 랩 온 칩 매개 전기장 응용은 대규모 조합 [67]출력에 대한 높은 처리량 선별 분석을 가능하게 할 수 있는 가능성을 가지고 이 분야에서 입지를 다지고 있다.

그림 6 - 비신경 생체전기를 조작하는 도구에는 세포 연결을 변경하는 약리 및 유전 시약(제어 갭 접합), 세포mem V(제어 이온 채널/펌프), 생체 전기 유도 두 번째 메신저(제어 신경 전달 물질 및 기타 소분자)[68]가 포함된다.

생체전기 시그널링 연구방법: 분자연령 시약 및 접근방법

지난 60년간 분자생물학의 놀라운 발전은 생화학 및 유전 신호의 해부를 용이하게 하는 강력한 도구를 만들어냈다. 그러나 그것들은 생체 내 생물 전기 연구에 적합하지 않은 경향이 있다.이전의 작업은 전극에 의해 직접 인가되는 전류에 광범위하게 의존했으며, 재료 과학[69][70][71][72][73][74] 및 세포 외 전류 측정의 최근 현저한 발전에 의해 재활성화되었으며, 정교한 자기 참조 전극 시스템에 [75][76]의해 촉진되었다.그 iceberg[공작 산문]의 attention,[77][78]신경 시스템이 단지 그때 그것은 기회에 체세포 과정 통제를 위해 나온다고 대부분의 세포 종류 전기와 themselv에서 이온 신호에 반응하는 활동하고 있는 동안neutrally-controlled 신체 대사를 조작하기 위한 전극 응용 프로그램 최근 눈길을 끌고 있다.에스고 이웃(그림 6).

지난 15년 동안, 높은 수준의 기계적 분해능으로 생체 전기 경로를 조사하고 표준 분자 캐스케이드와 연결할 수 있는 많은 새로운 분자 기술이[79] 개발되었습니다.이;(1)약리학적 화면 내인성 채널과 펌프 특정적 정형화 행사를 담당을 확인할 수 있[80][81][82](2)voltage-sensitive 형광 기자 염료 및 genetically-encoded 형광 전압 표시기로 특성화의 생체 상태에서 vivo,[83][84][85][86][87](3)패널well-characte.Rized 지배적인 이온 채널은 곳.원하는 방식으로 [82][88][89]생체 전기 상태를 변경하기 위해 관심 세포에서 혼합될 수 있다. (4) [92][93][94]조직에서 생체 전기 역학의 예측 모델을 구축하는 데 도움이 되는 온라인[90][91] 컴퓨팅 플랫폼.

전극 기반 기술에 비해 분자 프로브는 넓은 공간 분해능을 제공하며 시간에 따른 동적 분석을 용이하게 합니다.교정 또는 적정은 가능하지만 분자 프로브는 일반적으로 반정량적인 반면 전극은 절대 생체 전기 값을 제공합니다.형광 및 기타 탐침의 또 다른 장점은 정상 또는 병리학적 패턴화 [95]과정 중에 배아 또는 기타 조직의 넓은 영역을 동시에 모니터링할 수 있는 덜 침습적인 특성과 공간 다중화이다.

초기 개발에서의 역할

Xenopus laevis와 Zebrafish와 같은 모델 시스템에서 연구한 [96][97]결과 심장,[98][99] 얼굴,[88] 눈,[100][101] 뇌 및 기타 장기의 발달에서 생체 전기 신호 전달의 역할을 밝혀냈습니다.화면은 제브라피쉬 [102]핀과 같은 구조의 크기 제어에서 이온 채널의 역할을 확인했으며, 집중적인 기능 향상 연구는 예를 들어 내피에서 [88]눈 전체를 만드는 것과 같은 신체 부위를 장기 수준에서 재지정할 수 있다는 것을 보여주었습니다.뇌에서와 같이, 발달 생물 전자 공학은 배아에서 상당한 거리에 걸쳐 정보를 통합할 수 있습니다. 예를 들어 복부 [101]조직의 생체 전기 상태에 의한 뇌 크기 제어와 같은 것입니다.원격 [103][104]세포의 생체 전기 상태에 의한 종양 유전자 발현 부위의 종양 발생 제어.

인간의 장애와 수많은 마우스 돌연변이는 생체 전기 신호가 인간의 발달에 중요하다는 것을 보여준다(표 1과 표 2).이러한 영향은 이온 채널을 교란시키는 돌연변이로 인해 발생하는 인간 질환인 채널병증과 광범위하게 연관되어 있다.

근육이나 뉴런에 영향을 미치는 증상 외에 형태학적 이상이나 선천적 선천적 기형을 일으키는 여러 가지 채널로피스가 있다.예를 들어, 내부 정류 칼륨 채널 Kir2.1을 교란시키는 돌연변이는 지배적으로 유전되는 Andersen-Tawil Syndrome(ATS)를 일으킨다.ATS 환자는 주기적으로 마비, 심장 부정맥 및 다발성 형태학적 이상을 경험하는데, 여기에는 구개열 또는 높은 아치형 입천장, 구개열 또는 얇은 윗입술, 편평한 인중, 미립자, 치아의 올리고돈증, 법랑질 저형성증, 지연성 치아의 발진, 부정교합, 넓은 이마, 넓은 눈, 넓은 귀, 낮은 귀, 신디케이트 등이 포함된다.임상적, 상완적, 그리고 재생불량성 콩팥이형성불량성 콩팥.[105][106]KCNJ6에 의해 코드화된 또 다른 내부 정류+ K채널 Girk2를 교란시키는 돌연변이는 소두증, 좁은 비강, 높은 아치형 입천장, 심각한 일반화된 지방질영양증(지방조직 [107]생성 실패)을 포함하는 케펜-루빈스키 증후군을 일으킨다.KCNJ6는 다운증후군 임계영역에 있어 이 영역을 포함하는 중복은 두개 안면 및 사지 이상을 초래하고, 이 영역을 포함하지 않는 중복은 [108][109][110][111]다운증후군의 형태학적 증상을 초래하지 않는다.전압 게이트 칼륨 채널인 KCNH1의 돌연변이는 템플-바라이서(Zimmermann-Laband라고도 함) 증후군을 일으킨다.템플 바라이체르 증후군의 일반적인 특징은 손가락과 발가락 손톱, 지골의 부재 또는 저형성 및 관절 불안정이다.KCNH1의 돌연변이와 관련된 두안면결손은 구개열 또는 높은 아치형 구개, 과망막증, 이형성 귀, 이형성 코, 치은비대증 및 [112][113][114][115][116][117][118]치아의 이상수를 포함한다.

전압 게이트2+ Ca 채널인 CaV1.2의 돌연변이는 심각한 심장 부정맥(롱 QT)을 발생시키는 티모시 증후군으로 이어지며, 이는 구개열 또는 고궁도 입천장, 미세구개, 낮은 귀, 신디케이트 [119][120]및 완상동맥을 포함한 Andersen-Tawil 증후군과 같은 신디 및 유사한 두개 안면 결손상과 함께 발생한다.이러한 채널로피스는 드물지만, 기능적인 이온 채널이 발달에 중요하다는 것을 보여줍니다.또한 일부 이온 채널을 대상으로 하는 항간질 약물에 대한 자궁 내 노출은 구강 [121][122][123][124][125]구개열과 같은 선천성 결함의 발생률을 증가시킨다.이온 채널의 유전적 및 외인적 교란 효과는 개발에서 생체 전기 신호의 중요성을 통찰합니다.

상처 치유 및 세포 유도 역할

생체 전기 구배에서 가장 잘 알려진 역할 중 하나는 상처 치유 중에 사용되는 조직 수준의 내인성 전기장이다.상처 관련 전기장은 신경 펄스 및 근육 수축에 비해 약하고 덜 변동하며 즉각적인 생물학적 반응을 보이지 않기 때문에 연구하기가 어렵다.진동 및 유리 마이크로 전극의 개발은 상처가 실제로 측정 가능한 전류와 전기장을 [40][126][59][127][128][129]생성하며, 중요한 것은 지속된다는 것을 증명했습니다.이러한 기술은 각막 및 피부 상처의 상처 전장/전류를 더욱 특성화할 수 있도록 하며, 이는 이러한 전기적 현상에 대한 능동적인 조절을 시사하는 능동적인 공간적 및 시간적 특징을 보여준다.예를 들어, 상처의 전류는 상처 가장자리에 항상 가장 강하며,[130][131][61] 상처는 점차 증가하여 부상 후 약 1시간 후에 최고점에 도달한다.당뇨병 동물의 상처에서는 상처의 전기장이 현저하게 [132]손상된다.창상 전류/장의 생성 및 조절 메커니즘을 이해하면 창상 치유를 위해 전기적인 측면을 조작하는 새로운 접근법이 밝혀질 것으로 예상된다.

상처 부위의 전기장은 어떻게 만들어집니까?상피는 이온을 능동적으로 펌핑하여 차등 분리한다.각막상피에서는 예를+ 들어 Na, K가+ 최루액에서 세포외액으로 안쪽으로 운반되고− Cl이 세포외액에서 최루액으로 운반된다.상피 세포는 단단한 접합부로 연결되어 주요 전기 저항 장벽을 형성하며, 따라서 상피 전체에 걸쳐 전기적 경사(TEP)[133][134]를 형성합니다.모든 상처에서 발생하는 것처럼 상피 장벽을 부수면 상피 시트의 단단한 접합부에 의해 확립된 높은 전기 저항을 뚫는 구멍이 생성되어 상피가 국소적으로 단락됩니다.따라서 TEP는 상처에서 0으로 떨어집니다.단, 정상적인 이온수송은 권선단부(일반적으로 1mm 미만)를 넘어 울리지 않은 상피세포에서 계속되며, 권선단부에서 양의 전하가 흐르고 권선단부에서 음극으로 안정된 횡방향 전계(EF)를 확립합니다.피부에서도 TEP가 발생하며, 피부에 상처가 생기면 상피 장벽 기능이 회복되어 상처의 단락이 종료될 때까지 유사한 상처 전류와 장이 발생한다.이온의 운반을 자극하거나 억제하는 약리작용으로 권상전계를 조작하면 권상전계도 각각 증가 또는 감소한다.상처 치유는 각막 [130][131][135]상처에서 그에 따라 빨라지거나 느려질 수 있다.

전기장이 상처 치유에 어떤 영향을 미칩니까?상처를 치유하기 위해서는 상처를 둘러싼 세포가 상처로 이동해 방향을 향해 성장해 결점을 덮고 장벽을 회복해야 한다.상처를 치유하는 데 중요한 세포는 상처에서 측정되는 것과 같은 강도의 전기장에 놀라울 정도로 잘 반응한다.전체 세포 유형과 부상 후 반응은 생리적인 전기장의 영향을 받습니다.상피세포의 이동과 분열, 신경의 싹트기와 확장, 백혈구와 내피세포의 [136][137][138][139]이동을 포함한다.가장 잘 연구된 세포 동작은 전기장에서 상피 세포의 방향 이동이다. 즉, 전기택시이다.상피 세포는 부극(음극)으로 이동하며, 부극은 상피 내 내인성 벡터 전기장의 전계 극성으로, (양극에서 음극으로) 상처 중심을 가리킵니다.각막의 상피 세포, 피부의 각질 세포 및 많은 다른 유형의 세포는 수 mV−1 [140][141][142][143]mm의 낮은 전계 강도로 방향 이동을 보여준다.단층상피세포의 큰 시트와 다층상피세포의 시트는 또한 방향을 [131][144]향해 이동한다.이러한 집단 움직임은 상처 치유 중에 일어나는 것과 매우 유사하며, 세포 시트는 상처를 덮고 피부나 각막의 장벽 기능을 회복하기 위해 상처 침대 안으로 집단으로 이동한다.

세포들이 어떻게 그러한 미세한 세포외 전기장을 감지하는지는 여전히 이해하기 어렵다.최근 연구는 세포가 어떻게 작은 생리적 전기장을 감지하고 반응하는지에 대한 기초가 되는 몇 가지 유전, 신호 전달 및 구조적인 요소들을 식별하기 시작했다.여기에는 이온 채널, 세포 내 신호 경로, 막 지질 뗏목 및 세포막 구성요소의 [145][146][147][148][149][150][151]전기영동이 포함됩니다.

동물 재생에서의 역할

20세기 초에 앨버트 매튜스는 용종과 스톨론 표면 사이의 전위차와 CNidarian 용종의 재생과 반류를 가함으로써 재생에 영향을 미쳤다.아메데오 헤를리츠카는 그의 스승인 두 보이스-레이몽의 상처 전류에 따라 전류가 재생에 초기 역할을 하고 세포 [152]증식을 시작할 수 있다는 이론을 세웠다.마쉬와 빔스는 내생적인 것을 능가하는 전기장을 사용하여 놀랍게도 이중머리 평탄자를 만들어냈고 심지어 머리가 [153]있던 곳에서 꼬리가 자라면서 1차 몸의 극성을 완전히 뒤집었다.이러한 종자 연구 이후, 생물 전기가 부상을 감지하고 촉발시킬 수 있거나 최소한 재생의 주요 주체가 될 수 있다는 생각의 다양성이 오늘날까지 수십 년 동안 박차를 가해왔다.잠재적인 설명은 정지 전위(주로 Vmem 및 TEP)에 있습니다.이 전위는 적어도 부분적으로 검출 가능한 휴면 센서(알람)와 국부적인 [126][154][155][12]손상에 대응할 수 있는 이펙터(트리거)일 수 있습니다.

1960년대 [156]후반 이식된 바이메탈 막대를 사용한 비허용 개구리 다리 재생에 대한 전기 자극의 상대적 성공에 이어, 양서류 사지 재생의 생체 전기 세포 외 측면이 다음 수십 년 동안 광범위하게 해부되었다.초민감 진동 탐촉자의 개발과 개선된 응용 [40][157]장치 덕분에 결정적인 기술적이고 기능적인 생리학적 데이터가 가능해졌다.절단 시 반드시 피부 구동 외향 전류와 그 결과 발생하는 측방향 전계가 창상 부위에 음극이 세팅된다.처음에는 순수한 이온 누출이었지만, 결국 활성 성분이 발생하고 이온 전달기를 차단하면 일반적으로 재생이 저해됩니다.생체모방성 외인성 전류와 장을 사용하여 부분 재생이 이루어졌으며, 이는 전형적으로 조직의 성장과 신경 조직의 증가를 포함한다.반대로 내인성 전류 및 필드를 차단하거나 되돌리면 재생이 [59][158][157][159]저해됩니다.양서류 사지 재생 및 관련 연구에서 칠성 장어류와 포유류에 이러한 연구는[160]그 뼈 골절 healing[161][162]과 최종 studies,[131]의 일반 규칙을 유도 혼합과(axons 같은)세포 regeneration 발행 el에 기여하고 처장에(keratinocytes, leucocytes고 내피 세포 같은)거야ectrotaxis을 향해캐소드(원래 사이트 제외)이와 일치하여 양극은 [161][159][163]뼈의 재생 및 골쇄성 흡수 장애에서 발생하는 조직 흡수 또는 변성과 관련된다.이러한 노력에도 불구하고, 포유류의 상당한 에피모픽 재생에 대한 약속은 향후의 노력의 주요 최전선으로 남아 있다. 여기에는 재생성 생물 전기 상태를 구동하고[164][165] 전기 [166]자극을 위한 지속적인 노력을 제공하기 위한 환경을 제공하기 위한 웨어러블 생물 반응기의 사용이 포함된다.

최근 분자 일 제노 tadpoles,[12][167][168]에 꼬리 재생에 중요한 것으로 전체 꼬리(척수와, 근육, 등)의 재생 정상적으로non-regenerative 조건의 범위가 어느 molecular-genetic,[169]pharmacological,[170]또는 optog에 의해 촉발될 수 있는 태도는 양성자와 나트륨 자속을 확인해 왔다.enetic[171] 메서드입니다.플라나리아에서, 생체 전기 메커니즘에 대한 연구는 줄기세포의 [172]거동 제어,[173] 리모델링 중의 크기 제어, 전후 극성,[174] 그리고 머리 [68][175]모양을 밝혀냈다.갭 접합 매개 생리적 신호 변경은 Dugesia japonica에서 두 개의 머리를 가진 벌레를 생성한다; 놀랍게도, 이 동물들은 갭 접합 차단 시약이 조직을 [176][177][178]떠난 후 수 개월 후에 미래의 재생 라운드에서 두 개의 머리를 가진 벌레를 계속 재생한다.게놈 편집 없이 동물이 재생하는 해부학적 레이아웃의 안정적이고 장기적인 변화는 신체 패턴의 후생유전적인 유전의 한 예이며,[179] 또한 야생형과는 다른 유전적인 해부학적 변화를 보이는 유일한 "스트레인"이다.

그림 7 - 전압 변화는 운반체 또는 갭 접합부를 통해 세로토닌과 같은 작은 신호 분자의 Vmem 의존적 이동, 전압 민감성 포스파타아제, 전압 게이트 칼슘 채널(칼슘 신호 캐스케이드를 트리거) 및 di를 포함한 다양한 두 번째 메신저 프로세스를 통해 다운스트림 이펙터 메커니즘으로 전달될 수 있다.세포 [8]표면에 있는 수용체의 자화
그림 8 - 생물 전기와 유전자 발현이 통합된 방식으로 작동한다.[15] 하류에는 아무것도 없다.
그림 9 - 개구리 배아의 다양한 영역에서 특정 이온 채널의 양성압박은 [8]내장 조직에 눈과 같은 이소성 기관을 생성하도록 유도할 수 있다.

암에서의 역할

세포들이 해부학적 구조물로의 통상적인 긴밀한 활동 조정에서 이탈하는 것은 암을 초래한다. 따라서 세포 성장과 패턴을 조정하는 핵심 메커니즘인 생체 전기가 종종 암과 [180][181]전이에 관련된 표적이 되는 것은 놀랄 일이 아니다.사실, 갭 접합이 발암과 [182][183][184]진행에 중요한 역할을 하는 것으로 오랫동안 알려져 왔다.채널은 종양유전자로 작용할 수 있으므로 새로운 약물 [3][92][182][185][186][187][188][189][190][191]표적으로 적합하다.최근 양서류 모델에 대한 연구는 휴지 전위의 탈분극이 정상 [192][193]세포에서 전이 행동을 촉발할 수 있는 반면, 과분극은 (이온 채널 양성 억제, 약물 또는 빛에 의해) 인간 종양 [194]발생의 발현에 의해 유발되는 종양 발생을 억제할 수 있다는 것을 보여주었다.휴지 전위의 탈분극은 초기 종양 부위가 비침습적으로 [195]검출될 수 있는 생체 전기의 신호로 보인다.생물의학적 맥락에서 암의 생체 전기 시그니처의 개선은 진단 양식으로서 이 분야의 가능한 [180]적용 중 하나이다.자극적이게도 극성의 양면성(마커로서의 탈분극과 치료로서의 과분극)은 개념적으로 초기 종양을 동시에 검출하고 치료하기 위해 설계된 온도 진단(theragnostic, 진단에 의한 치료의 조합) 접근방식을 도출할 수 있게 한다.이 경우 막 [194]분극의 정규화를 기반으로 한다.

패턴 조절에서의 역할

다양한 모델 종에서 지배적인 이온 채널 양성압박뿐만 아니라 이온 채널 개방/차단제를 사용한 최근 실험에서 생체 전기는 줄기세포 행동뿐만[196][197][198][199][200][201] 아니라 대규모 [29][202][203]패턴 형성도 지시하는 것으로 나타났다.패턴닝 단서는 종종 세포 휴지 전위의 공간적 구배(Vmem)에 의해 매개되며, 이는 소수의 알려진 메커니즘에 의해 두 번째 메신저 캐스케이드 및 전사 변화로 변환될 수 있다(그림 7).이러한 전위는 이온 채널과 펌프의 기능에 의해 설정되며, 개발 구획(등전위 셀장)[204]을 설정하는 갭 접합 연결에 의해 형성된다.갭 접합과 이온 채널은 모두 전압에 민감하기 때문에 셀 그룹은 풍부한 피드백 기능을 가진 전기 회로를 구현합니다(그림 8).생체 내 생물 전기 역학 발달의 결과물은 [178]플라나리아의 머리 수, 개구리 [98]발달의 얼굴 모양, 제브라피쉬의 [102]꼬리 크기와 같은 대규모 패턴화 결정을 나타낸다.내인성 생체 prepatterns의 실험적 변조 완전한 eye[88](그림 9) 위해 지역(그 gut 같은)변환하면 올챙이 꼬리non-regenerative contexts,[171][170][169]과flatworm 머리 모양과 내용의 패턴의 다른 종들에 적절하도록 변환에서 부속 기관의 재생을 유도하는 수 있다. 편형 동물이야,에도 불구하고정상 [175]게놈최근의 연구는 유전학 및 약리학적으로 유도된 [89][100]기형학에서 배아 뇌 결함의 복구를 위해 생체 전기 상태를 목표로 하는 예측 개입을 식별하기 위한 생리학적 모델링 환경을 사용하는 것을 보여주었다.

분야의 미래

생명체는 궁극적으로 전기화학 기업이다. 이 분야의 연구는 몇 가지 경계를 따라 진행되고 있다.첫째, 생체전기 신호가 어떻게 생성되는지, 세포막의 전압 변화가 어떻게 세포 행동을 조절할 수 있는지, 그리고 생체전기 신호의 유전적, 후생적 하류 목표가 무엇인지 이해하는 환원 프로그램입니다.생체전기 변화를 유전자 발현 변화로 변환하는 몇 가지 메커니즘은 [205][206]세로토닌과 낙산염, 전압에 민감한 포스파타아제를 포함한 세포를 통한 작은 2차 메신저 분자의 움직임을 생체전적으로 제어하는 것을 포함하여 이미 알려져 있다.또한 노치, BMP, FGF 및 HIF-1α와 [127]같은 전압 시그널링의 수많은 유전자 표적이 알려져 있다.따라서, 단일 세포 내의 생체 전기 신호 전달의 근위 메커니즘은 잘 이해되고 있으며, 광유전학과[79][171][4][207][208] 자기유전학의[209] 발전은 이 연구 프로그램을 계속 촉진하고 있다.그러나 더 어려운 것은 생물 전기 역학의 특정 패턴이 대규모 패턴 조절(복잡한 해부학의 재생과 개발)을 수행하는 알고리즘을 제어하는 데 어떻게 도움이 되는지 이해하는 통합 프로그램이다.생체전자와 화학적 시그널링의 결합은 세포 감각 지각과 의사결정의[210][211][212][213][214][215] 신흥 분야에서 향후 연구의 중요한 프런티어이다.

생체 전기 변조는 단지 개별 세포 식별성을 설정하는 것이 아니라 복잡한 형태 형성 및 리모델링에 대한 제어를 보여 왔다.또한, 이 분야의 많은 주요 결과는 생체 전기 회로가 비국소적이라는 것을 보여주었다. 즉, 신체 부위는 상당한 [100][103][104]거리에서의 생체 전기 사건에 기반하여 결정을 내린다.이러한 비세포 자율 사건은 생체 전기 [216][217][218]제어의 분산 네트워크 모델을 시사한다. 새로운 계산 및 개념 패러다임은 생체 전기 활성 조직의 공간 정보 처리를 이해하기 위해 개발되어야 할 수 있다.원시 인지 및 비상식적인 계산 분야에서 나온 결과는 생체 전기 코드를 해독하는 프로그램과 관련이 있다고[217][219][68] 제안되어 왔다.마지막으로 생물의학 및 생명공학 분야에서는 전압변형 시약을 상처 [165][164]부위에 전달하기 위한 웨어러블 생물반응기, 선천성[89] 결함 및 재생수리를 [170]위한 이온채널변형제(일종의 전기충격제) 등의 응용분야를 개발하고 있다.합성 생물학자들은 마찬가지로 생물 전기 회로를 하이브리드 [220]구조에 통합하기 시작했습니다.

표 1: 패터닝에 관여하는 이온 채널

단백질 형태발생적 역할 또는 LOF(기능상실) 표현형 종. 언급
TRH1K+ 트랜스포터 뿌리털 무늬 아라비도시스속 [221]
Kir2.1칼륨 채널 날개 모양 드로소필라속 [222]
Kir7.1K+ 채널 두개골 안면 패턴 형성, 폐 발달 근골근 [223]
NHE2+ Na/H+ 교환기 상피 패턴화 드로소필라속 [224]
V-ATPase 양성자 펌프 날개털패턴, 색소침착 및 뇌패턴, 두개골 안면패턴 호모사피엔스, 오리지아스라티페스 [225][226][227]
HCN1, Kv3.1K+ 채널 전뇌 패턴화 근골근 [228][229]
KCNC1+ K채널 성장 적자 근골근 [230]
TWIK-1+ K 채널(KCNK1) 심장(심방) 크기 근골근 [231]
KCNJ6 K채널+ 케펜-루빈스키 증후군 – 두개골 안면 및 뇌 호모 사피엔스 [107]
KCNH1(hEAG1) K채널+ 및 ATP6V1B2 V-ATPase 양성자 펌프 Zimmerman-Laband 및 Temple-Baraitser 증후군 – 두개골 안면 및 뇌 결함, 엄지발가락의 이형성/이형성. 호모 사피엔스 [115][232]
염화 GLRa4 채널 두개 안면 이상 호모 사피엔스 [233]
KCNJ8 K+ 칸투 증후군 – 얼굴, 심장, 골격, 뇌 결함 호모 사피엔스 [234][235][236]
NALCN(Na+ 누출 채널) Freeman-Sheldon 증후군 – 사지, 얼굴, 뇌 호모 사피엔스 [237]
CFTR 염화물 채널 양쪽 혈관 결손 호모 사피엔스 [238][239]
KCNC1 머리/얼굴 이상형 호모 사피엔스 [240]
KCNK9, 태스크3+ K 채널 Birk-Barel 이형 증후군 - 두개골 안면 결함, 뇌(피질 패턴 형성) 결함 호모 사피엔스 [241][242][243]
Kir6.2K+ 채널 두개 안면 결손 호모 사피엔스 [243]
KCNQ1+ K채널(후생조절) 혀, 간, 비장, 췌장, 신장, 부신, 생식기 – 벡위드-비데만 증후군, 안면 및 사지 이상, 초기 발달 호모 사피엔스, 무스쿠루스, 드로소필라 [244][245][246][247]
KCNQ1+ K채널 저벨과 랑게닐슨 증후군 - 내이 및 사지 호모 사피엔스, 무스쿠루스 [248][249][250]
Kir 2.1K+ 채널(KNCJ2) 안데르센-타윌 증후군 – 두개골 안면, 사지, 갈비뼈 호모 사피엔스, 무스쿠루스 [105][222][251]
GABA-A수용체(염산염채널) 엔젤만 증후군 - 두개골 안면(예: 구개열) 및 손 모양 호모 사피엔스, 무스쿠루스 [252][253][254]
TMEM16A 염화물 채널 기관 형태 형성 근골근 [255]
Girk2+ K 채널 소뇌 발달 장애 근골근 [256][257][258][259]
KCNH2+ K 채널 심장, 두개 안면 패턴 결손 근골근 [260]
KCNQ1+ K채널 직장, 췌장, 위 이상 근골근 [261]
NaV1.2 근육 및 신경 복구 결함 크세노푸스 [170]
Kir6.1K+ 채널 아이패터닝 결함 크세노푸스 [88]
V-ATPase 이온 펌프 좌우 비대칭 결함, 근육 및 신경 복구 크세노푸스, 갈루스 갈루스 국내산, 다니오 레리오 [169][81]
H, K-ATPase 이온 펌프 좌우 비대칭 결함 제노푸스과 [262][263][264]
Kir7.1K+ 채널 멜라노좀발달장애 다니오 레리오 [265]
Kv 채널 지느러미 크기 조절, 심장 크기 조절 다니오 레리오근육 [102][266]
NaV 1.5, Na+/K+-ATPase 심장 형태 형성 다니오 레리오 [267][268]
KCNC3 우성 돌연변이는 인간의 소뇌 변이를 일으키고, 드로소필라의 날개 정맥과 눈의 결함을 일으킨다. 호모 사피엔스, 드로소필라 [269]

표 2: 패턴화에 관한 갭 접합

간극 접합단백질 형태발생적 역할 또는 LOF 표현형 종. 레퍼런스
이넥신스 생식선 및 생식선 형태 형성 C. 엘레건스 [270]
Innexin 1, 2 큐티클(상피) 패턴 형성, 전각 현상 드로소필라속 [271][272]
이넥신 2 눈 크기 드로소필라속 [273]
Cx43 안구치과이형성증(ODDD), 심장결함(유출로 및 원추관), 좌우 비대칭 랜덤화, 골아세포 분화 문제, 두개골 안면결함, 근형성 호모 사피엔스, 무스쿠루스, 갈루스 갈루스 가메우스 [274][275][276][277][278][279][280][281][282][283]
Cx37 림프계 패턴 형성 근골근 [284][285]
Cx45 심장 결함(쿠션 패턴 생성) 근골근 [286][287]
Cx50, Cx46 눈의 결함(분화 및 증식 문제, 특히 수정체), 근골근 [288]
Cx26 달팽이관 발달 결함 근골근 [289]
Cx41.8 색소침착 패턴 결함 다니오 레리오 [290]
Cx43 핀 크기 및 패턴 규제
두개신경절증후군		 다니오 레리오근육 [291][292][293][294]
Inx4, Inx2 생식선 분화 및 정자 형성 드로소필라속 [295]
파넥신3 골격 발달 근골근 [296]

표 3: 이온 채널 발암 발생원

단백질 종. 레퍼런스 암역할
NaV 1.5 채널 호모 사피엔스 [297][298] 종양유전자
ERG칼륨채널 호모 사피엔스 [299][300] 종양유전자
9 칼륨 채널 근골근 [301] 종양유전자
덕틴(프로톤 V-ATPase 성분) 근골근 [302] 종양유전자
SLC5A8 나트륨/낙산수송체 호모 사피엔스 [303] 종양유전자
KCNE2 칼륨 채널 근골근 [304] 종양유전자
KCNQ1 칼륨 채널 호모 사피엔스, 쥐 [245][261][305] 종양유전자
SCN5A 전압 개폐 나트륨 채널 호모 사피엔스 [298] 종양유전자
메타트로픽글루탐산수용체 인간근육근 [306][307] 종양유전자
CFTR 염화물 채널 호모 사피엔스 [308][309] 종양 억제제
코넥신43 호모 사피엔스 [310] 종양 억제제
BKCa 호모 사피엔스 [311] 종양유전자
무스카린성 아세틸콜린수용체 호모 사피엔스, 무스쿠루스 [312] 종양 억제제
KCNJ3(Girk) 호모 사피엔스 [313][314] 종양유전자

레퍼런스

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