Деление клетки управляется электричеством

Мгновенное заживление ран и молниеносное развитие эмбрионов – эти картины из фантастических фильмов могут стать реальностью.

Многочисленные исследования, которые сейчас ведут учёные, уже показали, что ключевую роль при эмбриональном развитии и регенерации тканей играют биоэлектрические сигналы, генерирующиеся с участием клеточной мембраны. Например, на модели заживления раны роговицы было показано, что колебания мембранного потенциала, создающие в ткани электрические поля, регулируют миграцию клеток, их поляризацию и частоту делений, то есть восстановление поврежденной ткани. Потенциал клеточной мембраны формируется при участии имеющихся в ней ионных каналов. Ионные токи, как показывают исследования, имеют огромное значение для деления (дифференцировки) клеток - миобластов, кардиомиоцитов, нейронов. При их делении и слиянии потенциал мембраны изменяется от -10 до -70 мВ, т.е. мембрана становится более отрицательно заряженной (гиперполяризуется). Однако что тут следствие, а что причина: то ли электросигналы – следствие клеточных изменений, то ли наоборот, до сих пор было неясно.

Группа исследователей из Университета Тафтса в Медфорде (Tufts University, Medford, Массачусетс, США) изучили влияние изменения мембранного потенциала на способность клеток ММСК (мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток) костного мозга человека к делению. Сначала они исследовали, зависит ли изменение мембранного потенциала клеток от стадии их деления. Чтобы запустить деление клеток, авторы исследования воздействовали на них химически, с помощью двух веществ (дексаметазона и индометацина), и затем отслеживали изменение яркости окраски флуоресцентного красителя, реагирующего на величину мембранного потенциала (деполяризацию клетки). Выяснилось, что флуоресценция по мере дифференцировки клетки уменьшается, т.е. потенциал снижается и происходит гиперполяризация клеточной мембраны. Происходит это постепенно – в течение второй, третьей недели, и достигает максимума к четвертой неделе дифференцировки клеток.

Далее исследователи проверили, как будет влиять на деление клеток искусственное уменьшение гиперполяризации мембраны клетки. Деполяризацию клеточной мембраны они вызвали, повысив концентрацию ионов калия в среде культивирования клеток. Результат такого воздействия оценивали по появлению маркеров – характерных генов, возникающих при дифференцировке исследуемых клеток. Также клеточные колонии окрашивали специфичным для определенного вида клеток красителем. Оказалось, что деполяризация клеточной мембраны подавляет деление клеток, причем обратимо. При возвращении в стандартные условия стволовые клетки костного мозга восстанавливали свою способность к делению спустя три недели. Мембранный потенциал при этом возвращался к исходному уровню.

Тогда исследователи решили провести обратный эксперимент – увеличить гиперполяризацию клеточной мембраны. Для этого клетки подвергли воздействию соответствующих веществ (пинацидила и диазоксида). Через семь суток оценка эффективности дифференцировки клеток показала, что экспрессия генов-маркеров повышается в 2-4 раза! Причем с повышением концентрации веществ-поляризаторов увеличивалась и экспрессия маркерных генов.

Таким образом группе из Университета Тафтса в Медфорде удалось доказать, что изменение мембранного потенциала в сторону гиперполяризации предшествует дифференцировке клеток, и что с его помощью можно увеличивать эффективность дифференцировки ММСК под действием соответствующих веществ.

Сейчас исследователи занимаются изучением механизма влияния мембранного потенциала на дифференцировку клеток. Они уверены, что в будущем контроль потенциала мембраны будет широко использоваться для стимулирования дифференцировки различных типов стволовых клеток в нужном направлении.