Μελέτη της επίδρασης μικρορευμάτων σε κυτταρικούς πληθυσμούς: μελέτη κυτταρικής μετανάστευσης και μοριακών μηχανισμών

Abstract

An injury on the skin or at the bones can be due to several factors and results in the disruption of the physiological structure and function of the injured tissue. The wound healing process is of high significance for all organisms, consisting of 4 distinct but overlapping phases. Disruption or elongation in one of these phases can lead to a chronic or a non-healing wound. The last few years electrical stimulation in the form of microcurrents has been used to accelerate healing process, as it has beneficial effects in every phase of wound or fracture healing by inducing cell migration and proliferation as well as the secretion of many cytokines and growth factors. In the current study a device that generates microcurrents and transfers charges, wireless, to the wound, was used. The effects of microcurrents’ stimulation, were monitored in two different cell lines: fibroblasts (NIH3T3) and osteoblast-like cells (MG-63). According to our results, maximal phosphorylation of MAPKs ERK 1/2 and p38 was observed after transfer of -916 and -414 μC O2- to NIH3T3 and MG-63 cells, respectively. Furthermore, microcurrents induce, in both cell lines, cell migration and proliferation in a phospho-ERK 1/2 or phospho-p38 dependent way and TGF-β1 release in a phospho-ERK 1/2 and phospho-p38 dependent way. Moreover, in NIH3T3 and MG-63 cells microcurrents altered the expression profile of genes participating in signaling pathways such as Hedgehog, TGF-β and MAPK. Overall, our study provides a simple experimental setup for identification of molecular mechanisms that are activated in two different cell lines upon microcurrent stimulation. Further experiments are needed in well-organized systems, to eliminate the possibility of persistent activation of signaling pathways, which may be associated with adverse effects (such as Hedgehog or p38 signaling pathway).

Η δημιουργία ενός έλκους στο δέρμα ή στα οστά μπορεί να οφείλεται σε διάφορους παράγοντες και έχει ως αποτέλεσμα τη διακοπή της φυσιολογικής δομής και λειτουργίας του τραυματισμένου ιστού. Η επούλωση του έλκους είναι μία διαδικασία, αρκετά σημαντική για όλους τους οργανισμούς, που αποτελείται από τέσσερα διαδοχικά και αλληλεπικαλυπτόμενα στάδια. Διακοπή ή παρατεταμένη διάρκεια ενός σταδίου μπορεί να οδηγήσει σε ένα χρόνιο έλκος. Τα τελευταία χρόνια η ηλεκτροδιέγερση με τη μορφή μικρορευμάτων έχει αρχίσει να χρησιμοποιείται για την επιτάχυνση της επουλωτικής διαδικασίας στο δέρμα ή στα οστά καθώς έχει βρεθεί ότι συμβάλλει σε κάθε φάση επάγοντας τη μετανάστευση και τον πολλαπλασιασμό διαφόρων τύπων κυττάρων και την έκκριση σημαντικών αυξητικών παραγόντων. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε μία συσκευή ασύρματης μικροηλεκτροδιέγερσης, για την παραγωγή των μικρορευμάτων, η οποία σύμφωνα με προηγούμενες μελέτες έχει αποδειχθεί ότι οδηγεί σε πλήρη επούλωση σε ασθενείς με χρόνια έλκη. Οι αλλαγές που προκαλούνται σε μοριακό επίπεδο μελετήθηκαν σε δύο διαφορετικές κυταρικές σειρές: ινοβλάστες (ΝΙΗ3Τ3) και ανθρώπινη κυτταρική σειρά οστεοσαρκώματος, που παρουσιάζει οστεοβλαστικά χαρακτηριστικά (MG-63). Σύμφωνα με τα αποτελέσματά μας, μετά τη μεταφορά -916 μC O2- στα ΝΙΗ3Τ3 κύτταρα και -414 μC O2- στα MG-63 έχουμε μέγιστη ενεργοποίηση των ΜΑΡ κινασών ERK 1/2 και p38, οι οποίες έχει βρεθεί ότι συμμετέχουν σε διάφορες κυτταρικές λειτουργίες, όπως ο κυτταρικός πολλαπλασιασμός και η μετανάστευση. Επιπλέον, η διέγερση με μικρορεύματα επάγει και στις δύο κυτταρικές σειρές τον πολλαπλασιασμό και τη μετανάστευση με έναν phospho-ERK 1/2 ή phospho-p38 εξαρτώμενο τρόπο. Μελέτη της επίδρασης των μικρορευμάτων στην έκκριση του αυξητικού παράγοντα TGF-β1 έδειξε ότι έπειτα από μεταφορά του κατάλληλου αριθμού φορτίων, σε κάθε κυτταρική σειρά αυξάνεται η συγκέντρωση του TGF-β1, σε σύγκριση με τα κύτταρα control και αυτό συμβαίνει με έναν phospho-ERK 1/2 και phospho-p38 εξαρτώμενο τρόπο. Περαιτέρω διερεύνηση του μεταγραφικού προφίλ των κυττάρων έδειξε ότι τα μικρορεύματα προκαλούν αλλαγές την έκφραση διαφόρων γονιδίων και οδηγούν στην ενεργοποίηση σηματοδοτικών μονοπατιών, όπως είναι το TGF-β, το MAPK και το Hedgehog. Συμπερασματικά, η παρούσα μελέτη παρουσιάζει ένα απλό πειραματικό μοντέλο για την ταυτοποίηση των μοριακών μηχανισμών που ενεργοποιούνται μετά την εφαρμογή των μικρορευμάτων σε δύο διαφορετικές κυτταρικές σειρές που συμμετέχουν στην επούλωση ελκών και καταγμάτων. Παρόλ’ αυτά, χρειάζεται να γίνει περαιτέρω έλεγχος με πειράματα σε καλά οργανωμένα συστήματα, προκειμένου να μελετηθούν και εκεί οι αλλαγές που προκαλούνται μετά την επίδραση των μικρορευμάτων, καθώς κάποια από τα σηματοδοτικά μονοπάτια, που αποδείχθηκε ότι ενεργοποιούνται, μπορεί να οδηγούν σε αρνητικές επιπτώσεις για τον ασθενή (όπως το Hedgehog και το μονοπάτι της MAP κινάσης p38).