走電性

走電性は、電気走性とも呼ばれ、電界または電流によって誘導される生物細胞または生物の方向性のある運動です。^[1]走電性の方向性のある運動には、成長、発達、能動的な遊泳、受動的な移動など、さまざまな形があります。^{[1] [2]}さまざまな生物細胞が自然にDC電界を感知してそれに従うことができます。このような電界は、発達中および治癒中の生物組織で自然に発生します。^{[3] [4]}これらの観察およびその他の観察から、印加電界が創傷治癒にどのように影響するかについての研究が行われています。 ^{[5] [6] [7]}創傷治癒率の増加が定期的に観察されており、これは電界によって活性化される細胞移動およびその他のシグナル伝達経路によるものと考えられています。 ^[8]印加電界が癌の転移、形態形成、ニューロン誘導、病原細菌の運動性、バイオフィルム形成、およびその他の多くの生物学的現象にどのように影響するかについての追加研究が行われています。^{[2] [9] [10] [11]}

1889年、ドイツの生理学者マックス・フェルヴォルンは、細菌種の混合物に低レベルの直流電流を流し、一部は陽極に向かって動き、残りは陰極に向かって動くことを観察した。^[12] 2年後の1891年、ベルギーの顕微鏡学者E.ディヌールは、脊椎動物の細胞が直流電流内で方向性を持って移動するという初めての報告を行い、この現象をガルバノタキシスと名付けた。^{[13]ディヌールは}、亜鉛銅セルを使用して、一対のプラチナ電極を介してカエルの腹腔に定電流を流した。彼は、炎症性白血球が負極に集まることを発見した。これらの先駆的な研究以来、さまざまな種類の細胞や生物が電界に反応することが示されている。^[10]

電気走性を引き起こす根本的なメカニズムの理解は限られている。生物細胞と環境条件の多様性により、電界による細胞の移動を可能にするさまざまなメカニズムが存在する可能性がある。いくつかの研究では、特定の生物は能動的な運動性を変化させる特定の感知メカニズムを適用せずに受動的に動くことが示唆されている。^{[14] [15]}

十分に強い電界では、小さな細胞は均一に帯電した粒子^[16]または双極子^[17]として動くことがあります。他の研究報告では、細菌細胞が走化性を介して局所電界を感知する可能性があることが示唆されています。^{[18] [19] [20]}これは、局所環境の平衡電気表面に対して勾配を形成した 酸化還元分子を感知することによって行われます。

哺乳類細胞における電界の検出法は現在活発に研究されており、いくつかのメカニズムが関与している可能性がある。現在のところ、膜結合センサーがクーロン力と膜での電気浸透によって引きずられて再分布し、細胞が分極し、その後移動すると考えられている。 ^[21]数学的モデリングでは、細胞全体のセンサー濃度の 6～10% の変化が検出可能であることが示唆されている。 [22]いくつかの細胞株に適用された電界の方向を繰り返し変更する実験では、センサーの分極は、5～10 分後に観察される細胞移動の反応と比較して、おそらく数秒という比較的短い時間スケールで発生することが示唆されている。^[23]これにより、細胞は移動前に電界の方向の変化を時間平均化することができる。^[23]

すべての細胞が電気走性を起こす単一のメカニズムやプロセスは発見されていない。^[24]しかし、複数の説明が調査され、その結果、細胞が電界を使用して移動する方法についてのかなりの証拠と限られた理解が得られている。直流電界 (dcEF) にさらされると 1 ミリモルを超える濃度変化を引き起こす可能性があるため、電気走性は直流電界によって生成されるCa ²⁺濃度の変化に基づいて機能すると考えられている。さらに、 Co ^{2+または D600 を使用した}カルシウムチャネル阻害は、ほとんどの場合、電気走性を阻害することが観察されている。^{[25]電気走性を示す細胞は、細胞の陽極側に Ca 2+}イオンの流入を受け、同時にその陰極側の濃度が減少します。この再配置により、陰極方向への正味の移動を誘発する「プッシュプル」力が生じると考えられています。ただし、このプロセスは、細胞間カルシウム貯蔵庫または電位依存性カルシウムチャネルを持つ細胞ではより複雑になります。さらに、電位依存性ナトリウムチャネル、タンパク質キナーゼ、成長因子、表面電荷、タンパク質電気泳動が電気走性に関与していることが観察されている。^[25]しかし、電気走性に特に使用されるセンサー分子についての知識はない。^[26]これらおよび他の細胞成分の電気走性における正確な役割と機能は完全には理解されておらず、現在も研究が進められている。^[25]

電気走性の背後にあるメカニズムの完全な説明はないが、特定のシグナル伝達経路が電気走性に関与していることがわかっている。Zhauらは、好中球とケラチノサイトの両方で、生理学的強度のEFが細胞外シグナル制御キナーゼ（ERK）、p38ミトゲン活性化キナーゼ（MAPK）、Src、およびAktのser 473のリン酸化を誘導することを実験的に決定した。走化性において、SrcとAktは、ホスファチジルイノシトール-3-OHキナーゼ-γ（PI(3)Kγ）の活性化とリン酸テンシンホモログ（PTEN）の阻害によって分極する。^[27]実験では、リン酸化Srcは、生理学的強度のEFの影響を受けると、走化性でも見られるように、移動の方向に分極した。シグナル伝達に用いられる別の分子であるホスファチジルイノシトール-3,4,5-三リン酸（PtdIns(3,4,5)P ₃）は、EFを受けるとHL60細胞の先端に分極した。EFが逆転すると、分極したPtdIns(3,4,5)P _{3 は}新しい移動方向に急速に反転した。ラントルキュリンで処理してもこの現象は阻止されなかったことから、分極はアクチンに依存しないことが示された。PI(3)Kγをコードする遺伝子Pik3cgが破壊された細胞では、電気走性応答が低下した。ケラチノサイトでPI(3)Kを薬理学的に阻害しても、同じ結果が得られた。同様に、PTENの遺伝子破壊によってERKとAktのリン酸化が増加し、電気走性応答が増大した。^[27]これらの結果を考慮すると、PI(3)KγとPTENは電気走性に用いられるシグナル伝達経路に関与していることが示唆される。

経上皮電位（TEP）は、体内の組織バリアを挟んだイオン濃度の差によって生じます。ヒトでは、全身の皮膚の最外層と最内層の間に勾配が存在します。この勾配は、測定する体の部位に応じて、10mVから60mVの範囲になります。この電位は上皮細胞によって生じ、上皮細胞はCl ^-イオンを皮膚から頂端膜を通して汲み出し、Na ⁺イオンを上皮の基底側に輸送します。^{[26]これは、AgNO} _{3の添加によってNa} ⁺およびCl ^-輸送が増加し、それに応じて膜電位が上昇することが観察された実験によって裏付けられています。Cl ^-流出阻害剤であるフロセミドも、角膜細胞の電場の強度を低下させました。^{[27]これらの電位は、}角膜上皮だけでなく、消化管、尿管、呼吸管など、体の他の場所でも維持されています。^{[26] [28]}上皮が何らかの傷によって突き破られると、電位を確立するバリアが除去され、TEP を維持できなくなります。これにより、無傷の上皮から傷の端に向かって走る横方向の EF が生成されます。^{[26] [29]}これらの創傷 EF は創傷が治癒するまで持続し、回復を促進するためにさまざまな種類の細胞を損傷の方向に誘導することに関与しています。 ^{[26] [30]}これらの横方向のフィールドは、上皮が破壊されるとすぐに発生し、徐々に最大強度まで増加します。その後、電流の強度は低下しますが、治癒プロセスを通じて維持されます。これらのフィールドの強度と方向は、創傷のサイズに関係なく同じです。^[27]

皮膚の傷の治癒は、血小板、免疫細胞、上皮細胞、線維芽細胞など、体のさまざまな要素の協力を伴う複雑なプロセスです。このプロセスは主に化学信号によって調整されますが、特定の細胞タイプを損傷部位に向けるという追加の役割を果たしているという証拠があります。^[26]回復の増殖段階では、ケラチノサイトは損傷の周囲に発生する電界の陰極側に移動し、それらを傷の端に近づけます。実際、in vitro実験では、生理学的強度の電界を適用すると、化学的要因に関係なく、他の信号を無視して、電界の方向に応じて細胞を傷に向かって、または傷から離れるように移動させることができることがわかりました。^{[27]電界は}、ヒトの臍静脈細胞、真皮線維芽細胞、筋線維芽細胞における細胞移動にも影響を与えることが実験的にわかっています。^[26]

がんの転移は、腫瘍が体内の発生部位から離れた組織に広がる過程です。がん細胞と腫瘍は体内で電流を生成し、それに反応することが知られています。脳、前立腺、肺の腫瘍から分離されたがん細胞はすべて電気走性反応を示すことが観察されており、電気走性ががん細胞の転移に役割を果たしている可能性を示唆する証拠があります。^[31]