Новая модель и новые возможности для заживления ран с помощью электрических полей

Ученые из Университета Цинциннати исследуют способы беспроводной стимуляции собственных электрических полей организма для улучшения самозаживления.

Естественные электрические поля (ЭП) в теле человека регулируют различные функции организма, органов и клеток, включая рост и заживление кожных ран. Когда способность организма к нормальному заживлению нарушена такими заболеваниями, как диабет, управление этими ЭП с помощью внешних электрических сигналов может положительно влиять на клетки кожи, мозга, мышц и сосудов.

Однако в предыдущих исследованиях было сложно поддерживать оптимальные ЭП, в основном из-за неполного понимания того, как внешний сигнал изменяет ЭП в клетке и какие клеточные компартменты затрагивает.

Теперь исследователи в области физики и биомедицинской инженерии из Университета Цинциннати с помощью новой компьютерной численной модели клетки демонстрируют, как беспроводная электрическая стимуляция — от устройства, на которое уже подана предварительная заявка на патент, — направленная непосредственно на поврежденные или аномальные клетки, может регулировать их функцию и значительно точнее усиливать заживление.

Используя эту численную модель, реалистично симулирующую живую клетку, исследователи могут точно предсказать электрические поля внутри цитоплазмы клеточной мембраны и в окружающей ее среде.

Ключевая роль среды

Докторант по физике Толу Тагиан объясняет, что реакция клетки на внешние электрические сигналы сильно зависит от того, находится ли клетка в суспензии в электролитной жидкости (например, в крови или кишечной жидкости) или прикреплена к тканевому субстрату. Причем тип субстрата сильно влияет на клеточный ответ.

Таким образом, ключевой вывод этого исследования заключается в том, что внеклеточная среда может регулировать эффекты приложенного ЭП на клетку, контролируя электрическое поле внутри и снаружи клеточной мембраны.

Различия в реакции клеток

«Наши результаты демонстрируют разительные различия в реакциях клеток, суспендированных в среде (жидкости), и клеток, прикрепленных к диэлектрическому субстрату», — говорит Тагиан.

Другими словами, клетки, плавающие в электролитной жидкости, несут индуцированные ЭП иной величины, чем клетки, прикрепленные к ткани, такой как кожа, сосуды, мозг, мышцы или другие органы. Количественно оценить эти различия с последовательными результатами в прошлых исследованиях было сложно — до сих пор.

«В реальной жизни, с реальными клетками, будь то in vitro или внутри наших тел, клетки обычно прикреплены к какому-либо субстрату или к другим клеткам, — говорит Тагиан. — Поэтому, если мы хотим эффективно моделировать поля, мы должны моделировать клетку в ее физиологической среде. Индуцированное в клетке электрическое поле меняется в зависимости от формы клетки и субстрата, к которому она прикреплена».

Стимуляция для заживления

При низкочастотной стимуляции Тагиан и исследователи обнаружили значительно более высокое ЭП на стороне клетки, прикрепленной к субстрату, по сравнению с другими частями клеточной мембраны. Это указывает на более сильное электрическое воздействие на адгезионные рецепторы клеток.

Тагиан считает, что для разработки терапии электрическим полем необходима численная модель, которая может точно объяснить концепцию и определить истинное значение для эффективной электрической стимуляции. Уникальные численные модели клеток, созданные для этого исследования, отличают его от предыдущих работ, делая модель более реалистичной и физиологически релевантной.

Это особенно важно при анализе клеток в состоянии стресса. Тагиан объясняет, что жидкости организма человека являются ионными, и ионный поток имеет разную концентрацию в области раны, что приводит к установлению потока ионов от неповрежденной части тела к ране. Этот ионный поток, называемый «раневым током», направляет клетки в поврежденную область для эффективного заживления.

Чтобы усилить этот процесс заживления, особенно когда болезнь препятствует естественному заживлению, исследователи показали успех, увеличивая электрическое поле с помощью беспроводной ЭП-стимуляции в пораженной области.

Используя численную модель клетки для точного предсказания индуцированного ЭП во всех частях клетки, Тагиан применила широкий диапазон частот беспроводного ЭП — от очень низких до очень высоких — чтобы успешно усилить ответ клетки на заживление.

Механизм успеха

Успех этого проекта заключается в том, как положительные и отрицательные заряды внутри клетки перераспределяются после получения ЭП во время беспроводной стимуляции.

«В низкочастотной электрической стимуляции, где бы ни находились электролиты, индуцированное ЭП будет устранять поле в электролитах или в культуральной среде. Таким образом, все, что не является электролитом — например, клеточная мембрана, — сохранит индуцированное электрическое поле внутри себя.

Это означает, что можно сконцентрировать необходимое количество электрического поля в клеточной мембране для активации эффектов, инициируемых мембраной, и при этом ограничить ЭП в электролитах (жидкости), где оно может вызвать нагрев. При низкочастотной стимуляции мы генерируем ЭП только внутри клеточной мембраны, даже используя высокое напряжение, если это необходимо».

Теперь Тагиан может нацеливаться на разные клеточные компартменты в зависимости от частоты поля. На низкой частоте она может воздействовать только на клеточную мембрану, но на более высоких частотах она может влиять на внутриклеточное пространство, цитоплазму или мембрану — на любую нужную область. Теперь у нее больше возможностей выбора.

Более того, на высоких частотах, когда она достигает индуцированного ЭП в цитоплазме, заряженные белки могут взаимодействовать с индуцированным полем, менять свою конформацию и активировать успешные внутриклеточные ответы на заживление.

Поскольку этот процесс позволяет ионам перемещаться внутри и через клетку, положительно влияя на адгезию и другие внутриклеточные реакции заживления, теперь возможно использование ЭП на высоких частотах при необходимости без перегрева клетки, что исключает ненужные ожоги.

Ее выводы, ставшие предметом предварительной заявки на патент, предоставляют ключевую информацию для понимания методов клеточного ответа на беспроводную ЭП-стимуляцию для будущих терапевтических применений. Модификация клеточных ответов с помощью точно направленного беспроводного ЭП показывает большие перспективы для разработки безопасных и эффективных клинических методов лечения на основе ЭП для заживления хронических ран и не только.