Die meisten von uns wissen, dass Neuronen und andere Zellen im Nervensystem Elektrizität zur Kommunikation verwenden. Wissenschaftler haben in den letzten Jahrzehnten jedoch gelernt, dass alle Körperzellen dies tun, indem sie mithilfe von Elektrizität miteinander „sprechen“ und Entscheidungen über Wachstum und Entwicklung treffen.
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Forscher der Tufts University haben nun herausgefunden, dass die Manipulation der elektrischen Ladung von Zellen die Fähigkeit eines Organismus zur Bekämpfung von Infektionen verbessern kann. Während die Forschung sich mit Kaulquappenembryonen befasste, könnte das Phänomen beim Menschen eine neue Möglichkeit sein, Krankheiten zu bekämpfen. Es hat auch das Potenzial, zu neuen Wegen der Reparatur von Verletzungen zu führen, sogar eines Tages, um die Regeneration von Körperteilen zu unterstützen.
„Bioelektrizität ist eine erstaunliche neue Richtung in der Medizin, die weit über die reine Infektion hinausgeht“, sagt Michael Levin, Professor für Biologie bei Tufts, der die Forschung leitete.
Jede Zelle in einem lebenden Körper enthält eine winzige elektrische Ladung, definiert als der Unterschied zwischen geladenen Atomen auf beiden Seiten der Zellmembran. Levin, der diese Aufladungen seit Jahren untersucht, vermutet, dass eine Depolarisierung der Zellen - die Verringerung des Ladungsunterschieds zwischen der Innenseite und der Außenseite der Zelle - einem Körper helfen könnte, Infektionen abzuwehren.
In der Studie, die heute in npj Regenerative Medicine veröffentlicht wurde, verwendeten die Forscher Medikamente, um die Zellen von Kaulquappenembryonen zu depolarisieren. Anschließend infizierten sie die Embryonen mit E. coli . Während 50 bis 70 Prozent der mit E. coli infizierten Kaulquappen starben, taten dies nur 32 Prozent der Kaulquappen mit depolarisierten Zellen.
Dennoch mussten die Forscher sicherstellen, dass Medikamente tatsächlich die elektrischen Ladungen der Kaulquappenzellen verändern und nicht nur E. coli direkt töten. So injizierten sie Kaulquappenzellen mit Messenger-RNA (mRNA), die mit Informationen kodiert war, um die Kaulquappenzellen direkt zu depolarisieren. Dieser Ansatz funktionierte ähnlich wie die medikamentöse Behandlung, was darauf hindeutet, dass es die Depolarisation und nicht die Medikamente sind, die die Infektion bekämpfen.
"Die Wirkung war nicht auf die Bakterien, es war auf den Wirt", sagt Levin.
Bei allen Wirbeltieren gibt es zwei Arten von Immunsystemen, von Kaulquappen bis hin zu Menschen. Es gibt das adaptive Immunsystem, das arbeitet, indem es einem bestimmten Krankheitserreger ausgesetzt wird. Nachdem Sie einen Impfstoff erhalten haben, „merkt“ sich das adaptive Immunsystem den Erreger und kann ihn bekämpfen, wenn Sie erneut exponiert werden. Das Gleiche gilt, wenn Sie einem Erreger in freier Wildbahn ausgesetzt sind, wie wenn Sie Windpocken fangen. Das adaptive Immunsystem weiß, wie man es bekämpft, so dass Sie es mit weitaus geringerer Wahrscheinlichkeit jemals wieder fangen werden. Das adaptive Immunsystem wirkt jedoch nur auf die von ihm erkannten Krankheitserreger. Es kann also nicht helfen, wenn Sie etwas völlig Neuem ausgesetzt sind. Dann gibt es das angeborene Immunsystem, das sich in Ihren frühesten Augenblicken als befruchtetes Ei entwickelt. Es greift jeden Krankheitserreger mit speziellen Blutzellen und chemischen Mediatoren an.
Die Depolarisation arbeitet mit dem angeborenen Immunsystem zusammen und hilft ihm, mehr Kräfte wie Makrophagen (eine Art von infektionsbekämpfenden weißen Blutkörperchen) zu sammeln, die zur Bekämpfung von Infektionen erforderlich sind. Es ist noch nicht klar, warum dies funktioniert, aber es hat wahrscheinlich etwas mit der Manipulation der Kommunikationswege mit dem angeborenen Immunsystem zu tun.
Es ist auch bekannt, dass das angeborene Immunsystem Organismen hilft, Gewebe zu regenerieren und zu reparieren. Levin und sein Team wussten, dass Kaulquappen mit amputiertem Schwanz Depolarisation in ihren Zellen zeigen. Sie stellten also die Hinweise zusammen und fragten sich, ob verletzte Kaulquappen in der Lage wären, Infektionen besser zu bekämpfen. Also amputierten sie Kaulquappenschwänze und infizierten sie mit E. coli . Diese Kaulquappen waren in der Tat besser in der Lage, die Infektion abzuwehren.
Diese Kaulquappe wurde nicht mit E. coli infiziert. Es hat einen relativ geringen Anteil an infektionsbekämpfenden Leukozyten (in rot). (Büschel) 
Diese Kaulquappe wurde nach Depolarisation ihrer Zellen mit E. coli infiziert. Es hat einen relativ hohen Anteil an infektionsbekämpfenden Leukozyten (in rot). (Büschel) Aber wird diese Manipulationstechnik für Bioelektrizität am Menschen funktionieren?
"Die Haupttechnologie, die wir verwenden, ist die Verwendung von Medikamenten und Ionenkanal-mRNA zur Depolarisierung der Zellen, die in jeder Kreatur verwendet werden können", sagt Levin. "In der Tat haben wir es in Organismen einschließlich menschlicher Zellen getan."
Einige der Medikamente, mit denen Zellen depolarisiert werden können, sind bereits für den Menschen zugelassen. Dazu gehören Antiparasitika und Medikamente gegen Herzrhythmusstörungen und Krampfanfälle. Levin nennt diese Medikamente "Ionoceutics", da sie die Polarisation der Zelle verändern.
Das Team beschäftigt sich mit Nagetiermodellen. Wenn dies erfolgreich ist, könnten menschliche Tests die Straße hinunter sein.
Es kann jedoch schwierig sein, eine Methode für embryonale Kaulquappen auf eine Methode für nichtembryonale Tiere anzuwenden. Die während der Embryonalentwicklung vorhandenen Signalwege, die eine Depolarisierung der Zellen und eine Aktivierung des Immunsystems ermöglichen, sind möglicherweise nach der Geburt nicht mehr vorhanden.
"Ob wir sie ohne negative Auswirkungen in unbekannter Form reagieren können oder nicht", sagt Jean-François Paré, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Levins Labor und erster Autor des Papiers.
Levins Labor untersucht nicht nur die Auswirkungen der Depolarisation auf die Infektion, sondern auch, wie die Manipulation der Bioelektrizität dazu beitragen kann, Krebs zu bekämpfen, Geburtsfehler zu reparieren und sogar Organe oder Gliedmaßen zu regenerieren. Das Team geht davon aus, dass es möglich ist, die Art und Weise zu ändern, in der Zellen ihre Entscheidungen über Wachstum und Entwicklung elektrisch kommunizieren, und sie dazu zu bringen, sich beispielsweise für das Nachwachsen eines verlorenen Fingers zu entscheiden.
"Wir arbeiten an der Verbesserung der Regenerationsfähigkeit", sagt Levin. „Letztendlich ist es das Ziel, jedes beschädigte Organ zu regenerieren. Es klingt nach Science-Fiction, aber irgendwann können wir diese Dinge wieder aufbauen. “
