La electrotaxis , también conocida como galvanotaxis , es el movimiento dirigido de células u organismos biológicos guiados por un campo eléctrico o corriente . [1] El movimiento dirigido de la electrotaxis puede tomar muchas formas, como; crecimiento, desarrollo, natación activa y migración pasiva. [1] [2] Una amplia variedad de células biológicas pueden detectar y seguir naturalmente los campos eléctricos de CC . Dichos campos eléctricos surgen naturalmente en los tejidos biológicos durante el desarrollo y la curación . [3] [4] Estas y otras observaciones han llevado a la investigación sobre cómo los campos eléctricos aplicados pueden afectar la cicatrización de heridas [5] [6] [7] Se observa regularmente un aumento en la tasa de cicatrización de heridas y se cree que esto se debe a la migración celular y otras vías de señalización que se activan por el campo eléctrico. [8] Se han realizado investigaciones adicionales sobre cómo los campos eléctricos aplicados impactan la metástasis del cáncer , la morfogénesis , la guía neuronal , la motilidad de las bacterias patógenas , la formación de biopelículas y muchos otros fenómenos biológicos. [2] [9] [10] [11]
En 1889, el fisiólogo alemán Max Verworn aplicó una corriente continua de bajo nivel a una mezcla de especies bacterianas y observó que algunas se movían hacia el ánodo y otras hacia el cátodo . [12] Dos años después, en 1891, el microscopista belga E. Dineur realizó el primer informe conocido de células de vertebrados que migraban direccionalmente en una corriente continua, un fenómeno al que acuñó como galvanotaxis . [13] Dineur utilizó una celda de zinc-cobre para aplicar una corriente constante a la cavidad abdominal de una rana a través de un par de electrodos de platino. Descubrió que los leucocitos inflamatorios se agregaban en el electrodo negativo . Desde estos estudios pioneros, se ha demostrado que una variedad de diferentes tipos de células y organismos responden a los campos eléctricos. [10]
La comprensión de los mecanismos subyacentes que provocan la electrotaxis es limitada. La diversidad de células biológicas y condiciones ambientales hacen que sea probable que existan muchos mecanismos diferentes que permitan que las células migren debido a los campos eléctricos. Algunos estudios han indicado que ciertos organismos se mueven pasivamente sin que se aplique ningún mecanismo de detección específico para alterar la motilidad activa. [14] [15]
En un campo eléctrico suficientemente fuerte, las células pequeñas pueden moverse como partículas cargadas uniformemente [16] o dipolos . [17] Otros informes de investigación sugieren que las células bacterianas podrían percibir campos eléctricos locales a través de la quimiotaxis . [18] [19] [20] Esto se hace detectando moléculas redox que han formado un gradiente en relación con la superficie eléctrica equilibrada en el entorno local.
El método de detección de un campo en células de mamíferos está bajo investigación activa y podría involucrar varios mecanismos. Por ahora, se piensa que la redistribución de sensores unidos a la membrana arrastrados por fuerzas Coulombianas y electroósmosis en la membrana haría que la célula se polarizara y luego migrara. [21] El modelado matemático sugiere que es detectable un cambio de 6-10% en la concentración del sensor a través de la célula. [22] Experimentos que cambiaron repetidamente la orientación de un campo aplicado a varias líneas celulares sugieren que la polarización del sensor ocurre en una escala de tiempo relativamente rápida, quizás varios segundos, en comparación con la respuesta de migración celular, que se observa después de 5-10 minutos. [23] Esto permite que las células promedien en el tiempo los cambios en la dirección del campo eléctrico antes de migrar. [23]
No se ha descubierto un único mecanismo o proceso por el cual todas las células experimenten electrotaxis. [24] Sin embargo, se han investigado múltiples explicaciones, lo que ha dado como resultado un considerable cuerpo de evidencia y una comprensión limitada de cómo las células migran utilizando campos eléctricos. Se cree que la electrotaxis opera en función de los cambios en la concentración de Ca 2+ producidos por campos eléctricos de corriente continua (dcEF) debido al hecho de que la exposición a dcEF puede causar cambios de concentración superiores a 1 milimolar. Además, se observó que la inhibición del canal de calcio utilizando Co 2+ o D600 evita la electrotaxis en la mayoría de los casos. [25] Las células que exhiben electrotaxis experimentan una afluencia de iones Ca 2+ en el lado anódico de la célula y una disminución simultánea de la concentración en ese lado catódico. Se cree que este reordenamiento crea fuerzas de "empuje-tracción" que inducen un movimiento neto en la dirección catódica. Sin embargo, este proceso sería más complicado en células con depósitos de calcio intercelulares o canales de calcio dependientes del voltaje . Además, se ha observado que los canales de sodio dependientes de voltaje , las proteínas quinasas , los factores de crecimiento , la carga superficial y la electroforesis de proteínas tienen un papel en la electrotaxis. [25] Sin embargo, no se tiene conocimiento de una molécula sensora utilizada específicamente para la electrotaxis. [26] El papel y la función exactos de estos y otros componentes celulares en la electrotaxis no se comprenden completamente y son la base de la investigación en curso. [25]
En ausencia de una explicación completa del mecanismo detrás de la electrotaxis, se ha encontrado que ciertas vías de señalización tienen una participación en la electrotaxis. Tanto en neutrófilos como en queratinocitos , Zhau et. al. determinaron experimentalmente que los EF de fuerza fisiológica inducen la fosforilación de la quinasa regulada por señales extracelulares (ERK), la quinasa activada por mitógeno p38 ( MAPK ), Src y Akt en ser 473. En la quimiotaxis, Src y Akt son polarizadas por la activación de la fosfatidilinositol-3-OH quinasa-γ ( PI(3)Kγ ) y la inhibición del homólogo de la tensina de fosfato ( PTEN ). [27] En el experimento, la Src fosforilada se polarizó en la dirección de la migración cuando fue influenciada por EF de fuerza fisiológica, como también se ve en la quimiotaxis. El fosfatidilinositol-3,4,5-trifosfato (PtdIns(3,4,5)P 3 ), otra molécula utilizada en la señalización, se polarizó hacia el borde delantero de las células HL60 cuando se sometió a un EF. Tras la inversión del EF, la polarización PtdIns(3,4,5)P 3 revirtió rápidamente a la nueva dirección de migración. El tratamiento con lantruculina no evitó que esto ocurriera, lo que indica que la polarización no depende de la actina. Las células en las que se interrumpió el gen que codifica PI(3)Kγ, Pik3cg , mostraron respuestas electrotáxicas reducidas. La inhibición farmacológica de PI(3)K en los queratinocitos produjo los mismos resultados. De manera similar, la interrupción genética de PTEN resultó en un aumento de la fosforilación de ERK y Akt y una mayor respuesta electrotáxica. [27] La consideración de estos resultados sugiere que PI(3)Kγ y PTEN están involucrados en la vía de señalización utilizada en la electrotaxis.
Un potencial transepitelial (PTE) se crea por una diferencia en las concentraciones de iones a través de una barrera tisular en el cuerpo. En los humanos, existe un gradiente entre las capas más externas e internas de la piel en todo el cuerpo. Este gradiente puede variar de 10 mV a 60 mV, dependiendo de qué parte del cuerpo se mida. El potencial es creado por las células epiteliales , que bombean iones Cl - fuera de la piel a través de la membrana apical y transportan iones Na + al lado basal del epitelio. [26] Esto está respaldado por un experimento en el que se aumentó el transporte de Na + y Cl - mediante la adición de AgNO 3, y se observó un aumento correspondiente en el potencial de membrana. La furosemida , un inhibidor del eflujo de Cl - , también disminuyó la fuerza del campo en las células corneales. [27] Estos potenciales se mantienen en otras partes del cuerpo, como en los conductos gastrointestinales, urinarios y respiratorios, así como en el epitelio corneal . [26] [28] Cuando el epitelio es perforado por algún tipo de herida, la barrera que establece el potencial eléctrico ha sido eliminada, y por lo tanto el TEP no puede mantenerse. Esto crea un campo electromagnético lateral, que va desde el epitelio intacto hacia los bordes de la herida. [26] [29] Estos campos electromagnéticos de la herida duran tanto como la herida tarda en sanar, y están involucrados en guiar varios tipos de células hacia la lesión para facilitar la recuperación. [26] [30] Estos campos laterales surgen instantáneamente tras la ruptura del epitelio y aumentan gradualmente hasta su fuerza máxima. La fuerza actual luego disminuye, pero se mantiene durante todo el proceso de curación. La fuerza y la dirección de estos campos son las mismas independientemente del tamaño de una herida. [27]
La curación de heridas de la piel es un proceso complejo que implica la cooperación de varios elementos del cuerpo, como plaquetas , células inmunes, células epiteliales y fibroblastos . Este proceso está coordinado en gran medida por señales químicas, pero hay evidencia de que la electrotaxis juega un papel adicional en la dirección de tipos específicos de células hacia el sitio de una lesión. [26] Durante la fase de proliferación de la recuperación, los queratinocitos se mueven hacia el lado catódico de los EF que se producen alrededor de una lesión, llevándolos hacia el borde de la herida. De hecho, la experimentación in vitro encontró que la aplicación de EF de fuerza fisiológica podría anular otras señales y guiar a las células para migrar hacia o incluso alejarse de una herida dependiendo de la dirección del campo, independientemente de los factores químicos. [27] También se ha encontrado experimentalmente que los EF influyen en la migración celular en células de la vena umbilical humana , fibroblastos dérmicos y miofibroblastos . [26]
La metástasis del cáncer es el proceso por el cual un tumor se propaga desde su lugar de origen en el cuerpo a tejidos distantes. Se sabe que las células cancerosas y los tumores producen y responden a corrientes eléctricas dentro del cuerpo. Se ha observado que las células cancerosas aisladas de tumores cerebrales, de próstata y de pulmón tienen respuestas de electrotaxis, y hay evidencia que sugiere que la electrotaxis puede desempeñar un papel en la metástasis de las células cancerosas. [31]
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