Bioeletricidade do desenvolvimento
A bioeletricidade do desenvolvimento é um campo emergente que pesquisa a regulação do padrão e do comportamento celular, tecidual e orgânico por meio de sinais elétricos durante o desenvolvimento embrionário de animais e plantas, para além das vias de sinalização molecular clássica. O portador de carga na bioeletricidade do desenvolvimento é o íon, e não o elétron, e uma corrente e um campo elétrico são gerados sempre que ocorre um fluxo iônico líquido. Células e tecidos de todos os tipos utilizam fluxos de íons para se comunicarem eletricamente. Correntes e campos elétricos endógenos, fluxos iônicos e diferenças no potencial de repouso entre os tecidos compõem um sistema de sinalização. Ele funciona em conjunto com fatores bioquímicos, redes transcricionais e outras forças físicas para regular o comportamento celular e o padrão em larga escala em processos como embriogênese, regeneração e supressão do câncer.
Imagem: Senado Federal · BY · Openverse
A bioeletricidade do desenvolvimento é uma subdisciplina da biologia, relacionada, mas distinta da neurofisiologia e do bioeletromagnetismo. A bioeletricidade do desenvolvimento refere-se aos fluxos iônicos endógenos, aos gradientes de voltagem transmembrana e transepitelial e às correntes e campos elétricos produzidos e mantidos em células e tecidos vivos. Essa atividade elétrica é frequentemente utilizada durante a embriogênese, a regeneração e a supressão do câncer—ela constitui uma camada do complexo campo de sinais que incide sobre todas as células in vivo e regula suas interações durante a formação e manutenção de padrões. Isso se distingue da bioeletricidade neural (classicamente denominada eletrofisiologia), que se refere à geração rápida e transitória de potenciais de ação em células excitáveis bem reconhecidas, como neurônios e miócitos (células musculares); e do bioeletromagnetismo, que se refere aos efeitos da radiação eletromagnética aplicada e ao eletromagnetismo endógeno, como a emissão de biofótons e a magnetita produzida.
Imagem: Senado Federal · BY · Openverse
Século XVIII
O estudo da bioeletricidade no desenvolvimento teve início no século XVIII. Diversos trabalhos seminais, que estimularam contrações musculares utilizando garrafas de Leyden, culminaram com a publicação dos estudos clássicos de Luigi Galvani em 1791 (De viribus electricitatis in motu musculari) e 1794. Nesses estudos, Galvani acreditava ter descoberto a capacidade intrínseca de produção de eletricidade em tecidos vivos, ou "eletricidade animal". Alessandro Volta demonstrou que a contração muscular na perna da rã era devida a um gerador de eletricidade estática e à interação de metais diferentes que sofriam ou catalisavam reações eletroquímicas. Galvani demonstrou, em um estudo de 1794, a ocorrência de contrações musculares sem a necessidade de eletricidade metálica, ao tocar o músculo da perna com um nervo ciático seccionado e desviado, comprovando definitivamente a existência da "eletricidade animal". Sem saber, Galvani, com este e outros experimentos relacionados, descobriu a corrente de lesão (vazamento de íons impulsionado pelo potencial da membrana/epitélio intacto) e o potencial de lesão (diferença de potencial entre a membrana/epitélio lesionado e intacto). O potencial de lesão era, na verdade, a fonte elétrica por trás da contração da perna, como se percebeu no século seguinte.
Século XIX
Com base em estudos anteriores, novas visões da bioeletricidade do desenvolvimento surgiram com a descoberta de correntes e campos elétricos relacionados a ferimentos na década de 1840, quando o eletrofisiologista Emil du Bois-Reymond relatou atividades elétricas em nível macroscópico em corpos de rãs, peixes e humanos. Ele registrou minúsculas correntes elétricas em tecidos e organismos vivos com um galvanômetro de última geração, feito de bobinas de fio de cobre isolado. Du Boys-Reymond revelou a eletricidade de rápida variação associada à contração muscular e à excitação nervosa―os potenciais de ação. Du Bois-Reymond também relatou em detalhes a eletricidade menos flutuante em ferimentos―corrente e potencial de lesão―que ele mesmo provocava.
Início do século XX
O trabalho sobre bioeletricidade do desenvolvimento começou a sério no início do século XX. Ida H. Hyde estudou o papel da eletricidade no desenvolvimento de ovos. T. H, Morgan e outros estudaram a eletrofisiologia da minhoca. Oren E. Frazee estudou os efeitos da eletricidade na regeneração de membros em anfíbios. E. J. Lund explorou a morfogênese em plantas com flores. Libbie Hyman estudou animais vertebrados e invertebrados. Nas décadas de 1920 e 1930, Elmer J. Lund e Harold Saxton Burr escreveram vários artigos sobre o papel da eletricidade no desenvolvimento embrionário. Lund mediu correntes em um grande número de sistemas modelo vivos, correlacionando-as com mudanças no padrão. Em contraste, Burr usou um voltímetro para medir gradientes de voltagem, examinando tecidos embrionários em desenvolvimento e tumores, em uma variedade de animais e plantas. Campos elétricos aplicados demonstraram alterar a regeneração de planárias por Marsh e Beams nas décadas de 1940 e 1950, induzindo a formação de cabeças ou caudas em locais de corte, revertendo a polaridade primária do corpo.
Final do século XX
Na década de 1970, a introdução e o desenvolvimento da sonda vibratória por Lionel Jaffe e Richard Nuccittelli, o primeiro dispositivo para caracterização quantitativa não invasiva das minúsculas correntes iônicas extracelulares, revitalizaram o campo. Pesquisadores como Joseph Vanable, Richard Borgens, Ken Robinson e Colin McCaig exploraram os papéis da sinalização bioelétrica endógena no desenvolvimento e regeneração de membros, embriogênese, polaridade de órgãos e cicatrização de feridas. C. D. Cone estudou o papel do potencial de repouso na regulação da diferenciação e proliferação celular. Trabalhos subsequentes identificaram regiões específicas do espectro do potencial de repouso que correspondem a estados celulares distintos, como quiescente, de célula-tronco, cancerígeno e terminalmente diferenciado.
Imagem: Senado Federal · BY · Openverse
Eletrodos
As técnicas padrão ouro para extrair quantitativamente dimensões elétricas de espécimes vivos, desde o nível celular até o nível do organismo, são o microeletrodo de vidro (ou micropipeta), a sonda de voltagem vibratória (ou autorreferenciada) e o microeletrodo íon-seletivo vibratório. O primeiro é inerentemente invasivo, e os dois últimos são não invasivos, mas todos são sensores ultrassensíveis e de resposta rápida, amplamente utilizados em uma infinidade de condições fisiológicas em diversos modelos biológicos. O microeletrodo de vidro foi desenvolvido na década de 1940 para estudar o potencial de ação de células excitáveis, derivado do trabalho seminal de Hodgkin e Huxley no axônio gigante de lula. É simplesmente uma ponte salina líquida que conecta a amostra biológica ao eletrodo, protegendo os tecidos de toxinas lixiviáveis e reações redox do eletrodo nu. Devido à sua baixa impedância, baixo potencial de junção e fraca polarização, os eletrodos de prata são transdutores padrão de corrente iônica em corrente elétrica que ocorre por meio de uma reação redox reversível na superfície do eletrodo.
Fluorescência
O progresso na biologia molecular nas últimas seis décadas produziu ferramentas poderosas que facilitam a dissecação de sinais bioquímicos e genéticos; no entanto, elas tendem a não ser adequadas para estudos bioelétricos in vivo . Trabalhos anteriores dependiam amplamente da corrente aplicada diretamente por eletrodos, revigorada por avanços significativos recentes na ciência dos materiais e medições de corrente extracelular, facilitadas por sofisticados sistemas de eletrodos autorreferenciados. Embora as aplicações de eletrodos para manipular processos corporais controlados neuralmente tenham atraído muita atenção recentemente, existem outras oportunidades para controlar processos somáticos, já que a maioria dos tipos de células são eletricamente ativos e respondem a sinais iônicos de si mesmas e de suas vizinhas.
Imagem: Senado Federal · BY · Openverse
Desenvolvimento inicial
Estudos principalmente realizados por Michael Levin e outros em sistemas modelo como Xenopus laevis e peixe-zebra revelaram um papel da sinalização bioelétrica no desenvolvimento do coração, face, olho, cérebro, e outros órgãos. Triagens identificaram funções para canais iônicos no controle do tamanho de estruturas como a nadadeira do peixe-zebra, enquanto estudos focados em ganho de função mostraram, por exemplo, que partes do corpo podem ser reespecificadas no nível do órgão – por exemplo, criando olhos inteiros na endoderme intestinal. Assim como no cérebro, a bioeletricidade do desenvolvimento pode integrar informações a distâncias significativas no embrião, por exemplo, como o controle do tamanho do cérebro por estados bioelétricos do tecido ventral e o controle da tumorigênese no local da expressão do oncogene pelo estado bioelétrico de células remotas.
Cicatrização de feridas e orientação celular
Uma das funções mais bem compreendidas dos gradientes bioelétricos é a dos campos elétricos endógenos utilizados durante a cicatrização de feridas, em nível tecidual. Estudar os campos elétricos associados a feridas é um desafio, pois esses campos são fracos, menos flutuantes e não apresentam respostas biológicas imediatas quando comparados aos impulsos nervosos e à contração muscular. O desenvolvimento de microeletrodos vibratórios e de vidro demonstrou que as feridas, de fato, produzem e, principalmente, mantêm correntes e campos elétricos mensuráveis. Essas técnicas permitem uma caracterização mais precisa dos campos/correntes elétricos em feridas na córnea e na pele, que apresentam características espaciais e temporais ativas, sugerindo uma regulação ativa desses fenômenos elétricos. Por exemplo, as correntes elétricas na ferida são sempre mais intensas na borda da ferida, aumentando gradualmente até atingir um pico cerca de 1 hora após a lesão. Em feridas de animais diabéticos, os campos elétricos da ferida são significativamente comprometidos.
Regeneração de membros em animais
No início do século XX, Albert Mathews correlacionou de forma seminal a regeneração de um pólipo de cnidário com a diferença de potencial entre as superfícies do pólipo e do estolho, e afetou a regeneração impondo contracorrentes. Amedeo Herlitzka, seguindo os passos de seu mentor, du Bois-Raymond, no estudo das correntes elétricas em feridas, teorizou sobre o papel precoce das correntes elétricas na regeneração, possivelmente iniciando a proliferação celular. Utilizando campos elétricos sobrepostos aos endógenos, Marsh e Beams geraram, de forma surpreendente, planárias com duas cabeças e até mesmo inverteram completamente a polaridade primária do corpo, com caudas crescendo onde antes havia uma cabeça. Após esses estudos iniciais, variações da ideia de que a bioeletricidade poderia detectar lesões e desencadear, ou pelo menos desempenhar um papel importante na regeneração, surgiram ao longo das décadas até os dias atuais. Uma possível explicação reside nos potenciais de repouso (principalmente Vmem e PTE), que podem ser, pelo menos em parte, sensores dormentes (alarmes) prontos para detectar e efetores (gatilhos) prontos para reagir a danos locais.
Câncer
A desregulação celular, que normalmente resulta na estreita coordenação da atividade em direção a uma estrutura anatômica, leva ao câncer; portanto, não é surpresa que a bioeletricidade – um mecanismo fundamental para coordenar o crescimento e o padrão celular – seja um alvo frequentemente implicado no câncer e na metástase. De fato, sabe-se há muito tempo que as junções comunicantes desempenham um papel fundamental na carcinogênese e na progressão tumoral. Os canais podem se comportar como oncogenes e, portanto, são adequados como novos alvos terapêuticos. Trabalhos recentes em modelos de anfíbios mostraram que a despolarização do potencial de repouso pode desencadear comportamento metastático em células normais, enquanto a hiperpolarização (induzida pela expressão aberrante de canais iônicos, drogas ou luz) pode suprimir a tumorigênese induzida pela expressão de oncogenes humanos. A despolarização do potencial de repouso parece ser uma assinatura bioelétrica pela qual sítios tumorais incipientes podem ser detectados de forma não invasiva. O refinamento da assinatura bioelétrica do câncer em contextos biomédicos, como uma modalidade diagnóstica, é uma das possíveis aplicações deste campo. A ambivalência da polaridade – despolarização como marcador e hiperpolarização como tratamento – torna conceitualmente possível derivar abordagens teragnósticas (junção de terapêutica com diagnóstico), projetadas para detectar e tratar simultaneamente tumores precoces, neste caso com base na normalização da polarização da membrana.
Regulação de padrões
Experimentos recentes usando drogas que abrem/bloqueiam canais iônicos, bem como a superexpressão dominante de canais iônicos, em uma variedade de espécies modelo, mostraram que a bioeletricidade, especificamente, os gradientes de voltagem instruem não apenas o comportamento das células-tronco mas também formação de padrão em larga escala. Os sinais de padronização são frequentemente mediados por gradientes espaciais de potenciais de repouso celular (ou Vmem), que podem ser transduzidos em cascatas de segundos mensageiros e alterações transcricionais por alguns mecanismos conhecidos. Esses potenciais são definidos pela função de canais iônicos e bombas, e moldados por conexões de junções comunicantes que estabelecem compartimentos de desenvolvimento (campos celulares isopotenciais). Como as junções comunicantes e os canais iônicos são sensíveis à voltagem, os grupos de células implementam circuitos elétricos com ricas capacidades de feedback. Os resultados da dinâmica bioelétrica do desenvolvimento in vivo representam decisões de padronização em larga escala, como o número de cabeças em planárias, o formato da face no desenvolvimento de rãs, e o tamanho das caudas em peixes-zebra. A modulação experimental de pré-padrões bioelétricos endógenos permitiu a conversão de regiões do corpo (como o intestino) em um olho completo, induzindo a regeneração de apêndices como caudas de girinos em contextos não regenerativos, e a conversão de formatos e conteúdos da cabeça de platelmintos para padrões apropriados a outras espécies de platelmintos, apesar de um genoma normal. Trabalhos recentes mostraram o uso de ambientes de modelagem fisiológica para identificar intervenções preditivas para direcionar estados bioelétricos para o reparo de defeitos cerebrais embrionários sob uma variedade de teratologias genéticas e farmacologicamente induzidas.
Imagem: Senado Federal · BY · Openverse
A pesquisa nesta área está progredindo em diversas frentes. A primeira é o programa redutivo de compreensão de como os sinais bioelétricos são produzidos, como as alterações de voltagem na membrana celular são capazes de regular o comportamento celular e quais são os alvos genéticos e epigenéticos subsequentes dos sinais bioelétricos. Alguns mecanismos que transduzem a mudança bioelétrica em alterações da expressão gênica já são conhecidos, incluindo o controle bioelétrico do movimento de pequenas moléculas mensageiras secundárias através das células, incluindo serotonina e butirato, fosfatases sensíveis à voltagem, entre outras. Também são conhecidos inúmeros alvos genéticos da sinalização de voltagem, como Notch, BMP, FGF e HIF-1α. Assim, os mecanismos proximais da sinalização bioelétrica dentro de células individuais estão sendo bem compreendidos, e avanços na optogenética e magnetogenética continuam a facilitar este programa de pesquisa. Mais desafiador, no entanto, é o programa integrativo de compreensão de como padrões específicos de dinâmica bioelétrica ajudam a controlar os algoritmos que realizam a regulação de padrões em larga escala (regeneração e desenvolvimento de anatomia complexa). A incorporação da bioeletricidade com a sinalização química no campo emergente da investigação da percepção sensorial celular e da tomada de decisão é uma importante fronteira para trabalhos futuros.
