Neues tool zur Vorhersage, wie elektrische stimulation fördert die Heilung

Wissenschaftler wissen seit Jahrzehnten, daß elektrische stimulation fördert die Heilung von chronischen Wunden, wie diabetischen Geschwüren und Druckgeschwüren, aber wie es passiert, hat ein Geheimnis—bis jetzt.

„Elektrische stimulation ist die Leitung der Zellen zur Förderung der migration in Richtung der Mitte der Wunde“, sagte Assistant Professor Mark Messerli von der South Dakota State University, Fachbereich Biologie und Mikrobiologie im College von Naturwissenschaften. Messerli und seinem team ein tool entwickelt, das vorhersagt, wie die zelluläre migration und Ausrichtung geschieht. Diese Forschung erscheint in der Juni-Ausgabe des Journal of Theoretical Biology.

In der Klinik, elektrische stimulation kann die Geschwindigkeit der Heilung von chronischen Wunden, definiert als Verletzungen der Haut, die nicht heilen innerhalb von 30 Tagen, und wurde verwendet, um Wunden zu behandeln, die schon so lang wie ein Jahr, Messerli erläutert. Neben der Heilung von Wunden, elektrische stimulation fördert die Anlage von Hauttransplantationen, Verbesserung der Ergebnisse für Menschen mit Verbrennungen.

Allerdings gibt es keine standardisierte Behandlung, Messerli hingewiesen. „Ein patient kann zu Fuß in eine andere Klinik und bekommen eine ganz andere Behandlung für die gleiche Wunde. Wir können nicht standardisieren oder zu optimieren Behandlungen, es sei denn, wir wissen, wie elektrische stimulation fördert die Heilung.“

Chronische Wunden der Haut, neigen dazu, plagen den älteren Menschen und Diabetikern. Fast 15% der Medicare-Empfänger leiden unter chronischen Wunden, was einen geschätzten $28.1 bis $31,7 Milliarden im Gesundheitswesen Kosten pro Jahr, nach 2017 eine Studie basiert auf einer 2014-Medicare-Datensatz. Als mehr baby-Boomer das Rentenalter erreichen, wird die Anzahl der Patienten und die Kosten im Gesundheitswesen werden weiter steigen.

Darüber hinaus lernen Sie, wie Strom stimuliert die Wundheilung können einige der das wissen benötigt, um zu wachsen Organe. „Wundheilung“ führt uns zu „tissue engineering“,“ Messerli sagte. „Es ist wie der Bau einer Mauer. Die Steine müssen sorgfältig ausgerichtet werden und der Abstand mit Mörtel, um eine strukturell solide Wand. Ähnlich, die Zellen müssen sehr sorgfältig ausgerichtet und montiert für ein organ des Menschen, um richtig zu funktionieren.“

Die Studie wurde unterstützt durch die Eugen und Millicent Bell Fellowship Fund für das Tissue-Engineering und die US-Abteilung von Landwirtschaft Luke Finanzierung durch die South Dakota Agricultural Experiment Station an der SDSU. Eine SDSU Doktorand und ein master-student am Projekt gearbeitet.

Wie elektrische stimulation heilt die Wunden

„Elektro-stimulation verwendet wird, in die Klinik zu aktivieren Neuronen, Muskel-und endokrinen Zellen, aber diese sind elektrisch erregbare Zellen.“ Messerli sagte. „Hautzellen sind nicht als elektrisch erregbar. Also, wie kann eine Hautzelle Sinn elektrische Felder, die schwächer sind als diejenigen, die benutzt werden, um die Neuronen oder Muskelzellen?“

Wissenschaftler wissen, dass sehr schwache elektrische Felder polarisieren Zellen und bewirken, dass Sie zu migrieren oder zu wachsen in Richtung der elektrischen Pole, erklärte er. „Gewebe-und organ-Funktion basiert auf der zellulären Polarität—wir brauchen diese zellulären Organisation zu haben, ein funktionsfähiges organ.“

Säugetiere, einschließlich des Menschen, haben, was Messerli fordert „eine endogene elektrische Feld über die Haut.“ Wenn die Haut gebrochen ist, gibt es ein elektrisches Feld senkrecht zum Rand der Wunde, Regie Zellen bis in die Mitte der Wunde. Allerdings, das elektrische potential sinkt, wie wir Altern.

„Ein schwaches elektrisches Feld bewirkt, dass Proteine auf der Zelloberfläche zu migrieren, um die elektrischen Pole anhand Ihrer Größe und Ladung,“ sagte er. „Das elektrische Feld in der Membran größer ist als eine million Volt pro meter; jedoch, Epidermis-Zellen spürt elektrische Felder etwas weniger als 10 Volt pro meter, fast 100.000 mal schwächer.“

Die Forscher verwendeten eine Kombination von mathematischer Modellierung, Fluoreszenz-imaging und Bioinformatik-tools zu entwickeln, ein Modell, das vorhersagt, wie sich diese Proteine verteilen sich in der plasma-Membran. „Etwa 30% der Proteine im menschlichen Genom sind in der Plasmamembran, aber bis zu diesem Punkt, weniger als 10 Proteine wurden im Zusammenhang mit den elektrisch induzierten zellulären Polarität,“ Messerli sagte.

Nach der Verfolgung der Umverteilung von einem bekannten protein, nutzten die Forscher das Modell, um vorherzusagen, wie Proteine identifiziert, die von anderen Arbeitsgruppen Verhalten würde. „Das Modell kam sehr nah an die Vorhersage der Ergebnisse von Experimenten“, sagte er. Die predictive tool hilft Forscher identifizieren Proteine, die entscheidend sind, um die elektrische Polarisation des anderen Zelltypen und optimieren die Wundheilung mithilfe von elektrischer stimulation.

Aufgerückt von der Haut auf Organe

Durch das Verständnis, wie elektrische stimulation fördert die Wundheilung und Haut-graft-Anlage, die Forscher sind dabei, wie für den Wiederaufbau Gewebe und Organe. „Wir starten mit der Haut, eine zwei-dimensionale Orgel“, Messerli sagte, „aber das Ziel ist schließlich zu verwenden, den eigenen Zellen des Patienten, um den Bau von drei-dimensionalen Organen, die Ihren Körper nicht abgestoßen wird.