Действие прямоугольных электрических импульсов низкой частоты на трихоплакса (тип Placozoa)
##plugins.themes.bootstrap3.article.main##
Google Scholar
##plugins.themes.bootstrap3.article.details##
Аннотация
Влияние низкочастотного электромагнитного излучения (НЭМИ) на растения и животных, включая человека, достаточно спорно. Мало известно и о воздействии НЭМИ на гидробионтов. Мы изучили действие прямоугольных импульсов напряжения различной амплитуды, длительности и скважности, пропущенных через морскую воду, на трихоплакса (тип Placozoa) как на возможную тестовую лабораторную модель. В опытах использовали три штамма Placozoa, Trichoplax adhaerens (H1), Trichoplax sp. (H2) и Hoilungia hongkongensis (H13), отобранных на стационарной стадии роста культуры. Для генерации последовательности прямоугольных импульсов заданной длительности и скважности с частотой до 2 кГц применяли аппаратную платформу Arduino Uno. Среднее значение напряжения до 500 мВ регулировали с помощью схемы делителя напряжения. Для доказательства специфичности действия электрических импульсов на потенциалзависимые кальциевые каналы трихоплакса использовали ингибитор активности кальциевых каналов амлодипин. Животных стимулировали электрическим током под стереомикроскопом. Электроды располагали в непосредственной близости от животного. Исследовали сопутствующие изменения поведения и морфологии пластинки трихоплакса. Выделяли стимулирующие и подавляющие воздействия. Наблюдения документировали с помощью фото- и видеосъёмки. Отслеживали траектории движения отдельных особей. Увеличение напряжения на электродах при фиксированной частоте 20 Гц приводило к тому, что животные штамма H2 покидали «зону электродов» в течение нескольких минут при 25 мВ, однако теряли подвижность пропорционально росту напряжения и обездвиживались при 500 мВ. Именно поэтому в дальнейших опытах применяли напряжение 50 мВ. В экспериментах с двумя электродами, находящимися с одной стороны трихоплакса, у животного было больше возможностей перемещаться в разных направлениях, чем в случае расположения электродов по обеим сторонам пластинки. Направление движения использовали как характеристический признак. Отмечено, что трихоплаксы мигрируют в области с низкой плотностью линий электрического поля, которые расположены вдали или за электродами. Животные из старой культуры отличались меньшей чувствительностью к электрическому раздражителю. Штамм H2 был наиболее чувствительным и демонстрировал более выраженные физиологические реакции на частотах 2 Гц и 2 кГц с напряжением 50 мВ, чем штамм H1 и особенно штамм H13. В зависимости от длительности стимулирующих прямоугольных импульсов, их числа, амплитуды и варьирующей частоты менялись двигательные реакции и морфология животных: от направленной или стохастической миграции в сторону анода/катода или от него до обездвиживания животных, увеличения оптической плотности по периферии и в центре пластинки и до сворачивания трихоплакса и отделения его от субстрата. В дополнительных опытах на Trichoplax sp. H2 показано, что при длительности импульсов 35 мс и задержке импульсов от 1 мс до 10 с доля обездвиженных животных увеличивается до 80 % при минимальной задержке. Тем не менее в случае применения амлодипина в концентрации 25 нМ практически все трихоплаксы в течение нескольких минут сохраняли подвижность несмотря на обработку электрическими импульсами. Между тем при использовании амлодипина в концентрации 250 нМ животные двигались дискоординированно и не могли покинуть «электродную ловушку». Далее пластинка трихоплакса становилась ригидной, что выражалось в неизменности формы животного при движении. Наконец, амлодипин в концентрации 50 мкМ вызывал быстрое сворачивание краёв трихоплакса в розетку в вентрально-дорсальном направлении и последующую диссоциацию пластинки на отдельные клетки. В целом применяемое электрическое воздействие имело кумулятивный, но обратимый эффект, который, как предполагается, может быть связан с работой потенциалзависимых кальциевых каналов. Амлодипин в большой концентрации (50 мкМ) вызывал разрушение трихоплакса, в умеренной (250 нМ) он нарушал, вероятно, распространение волн активации, что приводило к дискоординации движений животного, а в малой (25 нМ) предотвращал электрошок.
Авторы
Библиографические ссылки
Albertini M. C., Fraternale D., Semprucci F., Cecchini S., Colomba M., Rocchi M. B. L., Sisti D., Di Giacomo B., Mari M., Sabatini L., Cesaroni L., Balsamo M., Guidi L. Bioeffects of Prunus spinosa L. fruit ethanol extract on reproduction and phenotypic plasticity of Trichoplax adhaerens Schulze, 1883 (Placozoa). PeerJ, 2019, vol. 7, article e6789 (22 p.). https://doi.org/10.7717/peerj.6789
Armon S., Bull M. S., Aranda-Diaz A., Prakash M. Ultrafast epithelial contractions provide insights into contraction speed limits and tissue integrity. Proceedings of the National Academy of Science of the USA, 2018, vol. 115, no. 44, pp. E10333–E10341. https://doi.org/10.1073/pnas.1802934115
Bers D. M., Perez-Reyes E. Ca channels in cardiac myocytes: Structure and function in Ca influx and intracellular Ca release. Cardiovascular Research, 1999, vol. 42, iss. 2, pp. 339–360. https://doi.org/10.1016/S0008-6363(99)00038-3
Catterall W. A. Voltage-gated calcium channels. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 2011, vol. 3, iss. 8, article 003947 (23 p.). https://doi.org/10.1101/cshperspect.a003947
Chandler N. J., Greener I. D., Tellez J. O., Inada S., Musa H., Molenaar P., Difrancesco D., Baruscotti M., Longhi R., Anderson R. H., Billeter R., Sharma V., Sigg D. C., Boyett M. R., Dobrzynski H. Molecular architecture of the human sinus node: Insights into the function of the cardiac pacemaker. Circulation, 2009, vol. 119, no. 12, pp. 1562–1575. https://doi.org/10.1161/CIRCULATIONAHA.108.804369
d’Alessandro J., Mas L., Aubry L., Rieu J. P., Rivière C., Anjard C. Collective regulation of cell motility using an accurate density-sensing system. Journal of the Royal Society Interface, 2018, vol. 15, iss. 140, article 20180006 (11 p.). https://doi.org/10.1098/rsif.2018.0006
DuBuc T. Q., Ryan J. F., Martindale M. Q. “Dorsal-Ventral” genes are part of an ancient axial patterning system: Evidence from Trichoplax adhaerens (Placozoa). Molecular Biology and Evolution, 2019, vol. 36, iss. 5, pp. 966–973. https://doi.org/10.1093/molbev/msz025
Eitel M., Francis W. R., Varoqueaux F., Daraspe J., Osigus H. J., Krebs S., Vargas S., Blum H., Williams G. A., Schierwater B., Wörheide G. Correction: Comparative genomics and the nature of placozoan species. PLoS Biology, 2018, vol. 16, no. 9, article e3000032 (1 p.). https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2005359
Eitel M., Francis W. R., Varoqueaux F., Daraspe J., Osigus H. J., Krebs S., Vargas S., Blum H., Williams G. A., Schierwater B., Wörheide G. Comparative genomics and the nature of placozoan species. PLoS Biology, 2018, vol. 16, no. 7, article E2005359 (36 p.). https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2005359
Gao R., Zhao S., Jiang X., Sun Y., Zhao S., Gao J., Borleis J., Willard S., Tang M., Cai H., Kamimura Y., Huang Y., Jiang J., Huang Z., Mogilner A., Pan T., Devreotes P. N., Zhao M. A large-scale screen reveals genes that mediate electrotaxis in Dictyostelium discoideum. Science Signaling, 2015, vol. 8, iss. 378, pp. ra50 (10 p.). https://doi.org/10.1126/scisignal.aab0562
Godfraind T. Discovery and development of calcium channel blockers. Frontiers in Pharmacology, 2017, vol. 8, article 286 (25 p.). https://doi.org/10.3389/fphar.2017.00286
Grassi C., D’Ascenzo M., Torsello A., Martinotti G., Wolf F., Cittadini A., Azzena G. B. Effects of 50 Hz electromagnetic fields on voltage-gated Ca2+ channels and their role in modulation of neuroendocrine cell proliferation and death. Cell Calcium, 2004, vol. 35, iss. 4, pp. 307–315. https://doi.org/10.1016/j.ceca.2003.09.001
Heyland A., Croll R., Goodall S., Kranyak J., Wyeth R. Trichoplax adhaerens, an enigmatic basal metazoan with potential. In: Developmental Biology of the Sea Urchin and Other Marine. Invertebrates: Methods and Protocols / D. J. Carroll, S. A. Stricker (Eds). New York : Humana Press, 2014, chap. 4, pp. 45–61. https://doi.org/10.1007/978-1-62703-974-1_4
Iftinca M. C. Neuronal T-type calcium channels: What’s new? Journal of Medicine and Life, 2011, vol. 4, iss. 2, pp. 126–138.
Kamm K., Osigus H. J., Stadler P. F., DeSalle R., Schierwater B. Trichoplax genomes reveal profound admixture and suggest stable wild populations without bisexual reproduction. Scientific Reports, 2018, vol. 8, iss. 1, article 11168 (11 p.). https://doi.org/10.1038/s41598-018-29400-y
Kopecky B. J., Liang R., Bao J. T-type calcium channel blockers as neuroprotective agents. Pflügers Archiv – European Journal of Physiology, 2014, vol. 466, iss. 4, pp. 757–765. https://doi.org/10.1007/s00424-014-1454-x
Kuznetsov A. V., Halaimova A. V., Ufimtseva M. A., Chelebieva E. S. Blocking a chemical communication between Trichoplax organisms leads to their disorderly movement. International Journal of Parallel, Emergent and Distributed Systems, 2020, vol. 35, iss. 4, pp. 473–482. https://doi.org/10.1080/17445760.2020.1753188
Lawrence A. F., Adey W. R. Nonlinear wave mechanisms in interactions between excitable tissue and electromagnetic fields. Neurological Research, 1982, vol. 4, iss. 1–2, pp. 115–153. https://doi.org/10.1080/01616412.1982.11739619
Ledoigt G., Belpomme D. Cancer induction molecular pathways and HF-EMF irradiation. Advances in Biological Chemistry, 2013, vol. 3, pp. 177–186. https://doi.org/10.4236/abc.2013.32023
Linz K. W., Meyer R. Control of L-type calcium current during the action potential of guinea-pig ventricular myocytes. Journal of Physiology, 1998, vol. 513, pt. 2, pp. 425–442. https://doi.org/10.1111/j.1469-7793.1998.425bb.x
Lipscombe D., Andrade A. Calcium channel CaVα1 splice isoforms – Tissue specificity and drug action. Current Molecular Pharmacology, 2015, vol. 8, iss. 1, pp. 22–31. https://doi.org/10.2174/1874467208666150507103215
Marchionni I., Paffi A., Pellegrino M., Liberti M., Apollonio F., Abeti R., Fontana F., D’Inzeo G., Mazzanti M. Comparison between low-level 50 Hz and 900 MHz electromagnetic stimulation on single channel ionic currents and on firing frequency in dorsal root ganglion isolated neurons. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Biomembranes, 2006, vol. 1758, iss. 5, pp. 597–605. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2006.03.014
Moran Y., Barzilai M. G., Liebeskind B. J., Zakon H. H. Evolution of voltage-gated ion channels at the emergence of Metazoa. Journal of Experimental Biology, 2015, vol. 218, pt. 4, pp. 515–525. https://doi.org/10.1242/jeb.110270
Nanou E., Catterall W. A. Calcium channels, synaptic plasticity, and neuropsychiatric disease. Neuron, 2018, vol. 98, iss. 3, pp. 466–481. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2018.03.017
Pall M. L. Electromagnetic fields act via activation of voltage-gated calcium channels to produce beneficial or adverse effects. Journal of Cellular and Molecular Medicine, 2013, vol. 17, iss. 8, pp. 958–965. https://doi.org/10.1111/jcmm.12088
Pall M. L. Microwave frequency electromagnetic fields (EMFs) produce widespread neuropsychiatric effects including depression. Journal of Chemical Neuroanatomy, 2016, vol. 75, pt. B, pp. 43–51. https://doi.org/10.1016/j.jchemneu.2015.08.001
Ritter J. M., Flower R. J., Henderson G., Loke Y. K., MacEwan D., Rang H. P. Rang & Dale’s Pharmacology. 9th edition. Elsevier, 2019, 808 p.
Ruthmann A., Terwelp U. Disaggregation and reaggregation of cells of the primitive metazoon Trichoplax adhaerens. Differentiation, 1979, vol. 13, iss. 3, pp. 185–198. https://doi.org/10.1111/j.1432-0436.1979.tb01581.x
Santini M. T., Rainaldi G., Indovina P. L. Cellular effects of extremely low frequency (ELF) electromagnetic fields. International Journal of Radiation Biology, 2009, vol. 85, iss. 4, pp. 294–313. https://doi.org/10.1080/09553000902781097
Schierwater B. My favorite animal, Trichoplax adhaerens. BioEssays, 2005, vol. 27, iss. 12, pp. 1294–1302. https://doi.org/10.1002/bies.20320
Schulze F. E. Trichoplax adhaerens, nov. gen., nov. spec. Zoologischer Anzeiger, 1883, vol. 6, pp. 92–97.
Senatore A., Raiss H., Le P. Physiology and evolution of voltage-gated calcium channels in early diverging animal phyla: Cnidaria, Placozoa, Porifera, and Ctenophora. Frontiers in Physiology, 2016, vol. 7, article 481. https://doi.org/10.3389/fphys.2016.00481
Shiels H. A., Vornanen M., Farrell A. P. Temperature dependence of cardiac sarcoplasmic reticulum function in rainbow trout myocytes. Journal of Experimental Biology, 2002, pt. 23, pp. 3631–3639.
Shiels H. A., Vornanen M., Farrell A. P. Temperature-dependence of L-type Ca2+ channel current in atrial myocytes from rainbow trout. Journal of Experimental Biology, 2000, pt. 18, pp. 2771–2780.
Simms B. A., Zamponi G. W. Neuronal voltage-gated calcium channels: Structure, function, and dysfunction. Neuron, 2014, vol. 82, iss. 1, pp. 24–45. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2014.03.016
Smith C. L., Abdallah S., Wong Y. Y., Le P., Harracksingh A. N., Artinian L., Tamvacakis A. N., Rehder V., Reese T. S., Senatore A. Evolutionary insights into T-type Ca2+ channel structure, function, and ion selectivity from the Trichoplax adhaerens homologue. Journal of General Physiology, 2017, vol. 149, iss. 4, pp. 483–510. https://doi.org/10.1085/jgp.201611683
Smith C. L., Pivovarova N., Reese T. S. Coordinated feeding behavior in Trichoplax, an animal without synapses. PLoS One, 2015, vol. 10, iss. 9, article e0136098 (15 p.). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0136098
Smith C. L., Reese T. S., Govezensky T., Barrio R. A. Coherent directed movement toward food modeled in Trichoplax, a ciliated animal lacking a nervous system. Proceedings of the National Academy of Science of the USA, 2019, vol. 116, no. 18, pp. 8901–8908. https://doi.org/10.1073/pnas.1815655116
Smith C. L., Varoqueaux F., Kittelmann M., Azzam R. N., Cooper B., Winters C. A., Eitel M., Fasshauer D., Reese T. S. Novel cell types, neurosecretory cells, and body plan of the early-diverging metazoan Trichoplax adhaerens. Current Biology, 2014, vol. 24, iss. 14, pp. 1565–1572. https://doi.org/10.1016/j.cub.2014.05.046
Srivastava M., Begovic E., Chapman J., Putnam N. H., Hellsten U., Kawashima T., Kuo A., Mitros T., Salamov A., Carpenter M. L., Signorovitch A. Y., Moreno M. A., Kamm K., Grimwood J., Schmutz J., Shapiro H., Grigoriev I. V., Buss L. W., Schierwater B., Dellaporta S. L., Rokhsar D. S. The Trichoplax genome and the nature of placozoans. Nature, 2008, vol. 454, no. 7207, pp. 955–960. https://doi.org/10.1038/nature07191
Sun Z. C., Ge J. L., Guo B., Guo J., Hao M., Wu Y. C., Lin Y. A., La T., Yao P. T., Mei Y. A., Feng Y., Xue L. Extremely low frequency electromagnetic fields facilitate vesicle endocytosis by increasing presynaptic calcium channel expression at a central synapse. Scientific Reports, 2016, vol. 6, article 21774 (11 p.). https://doi.org/10.1038/srep21774
Varoqueaux F., Williams E. A., Grandemange S., Truscello L., Kamm K., Schierwater B., Jékely G., Fasshauer D. High cell diversity and complex peptidergic signaling underlie placozoan behavior. Current Biology, 2018, vol. 28, iss. 21, pp. 3495–3501 (10 p.). https://doi.org/10.1016/j.cub.2018.08.067
Vianale G., Reale M., Amerio P., Stefanachi M., Di Luzio S., Muraro R. Extremely low frequency electromagnetic field enhances human keratinocyte cell growth and decreases proinflammatory chemokine production. British Journal of Dermatology, 2008, vol. 158, iss. 6, pp. 1189–1196. https://doi.org/10.1111/j.1365-2133.2008.08540.x
Warille A. A., Altun G., Elamin A. A., Kaplan A. A., Mohamed H., Yurt K. K., El Elhaj A., Skeptical approaches concerning the effect of exposure to electromagnetic fields on brain hormones and enzyme activities. Journal of Microscopy and Ultrastructure, 2017, vol. 5, iss. 4, pp. 177–184. https://doi.org/10.1016/j.jmau.2017.09.002
Weiss N., Zamponi G. W. Control of low-threshold exocytosis by T-type calcium channels. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Biomembranes, 2013, vol. 1828, iss. 7, pp. 1579–1586. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2012.07.031
Weiss N., Zamponi G. W. Genetic T-type calcium channelopathies. Journal of Medical Genetics, 2019, vol. 57, iss. 1, pp. 1–10. https://doi.org/10.1136/jmedgenet-2019-106163
Xiang Z., Thompson A. D., Brogan J. T., Schulte M. L., Melancon B. J., Mi D., Lewis L. M., Zou B., Yang L., Morrison R., Santomango T., Byers F., Brewer K., Aldrich J. S., Yu H., Dawson E. S., Li M., McManus O., Jones C. K., Daniels J. S., Hopkins C. R., Xie X. S., Conn P. J., Weaver C. D., Lindsley C. W. The discovery and characterization of ML218: A novel, centrally active T-type calcium channel inhibitor with robust effects in STN neurons and in a rodent model of Parkinson’s disease. ACS Chemical Neuroscience, 2011, vol. 2, iss. 12, pp. 730–742. https://doi.org/10.1021/cn200090z
Zalata A., El-Samanoudy A. Z., Shaalan D., El-Baiomy Y., Mostafa T. In vitro effect of cell phone radiation on motility, DNA fragmentation, and clusterin gene expression in human sperm. International Journal of Fertility and Sterility, 2015, vol. 9, iss. 1, pp. 129–136. https://doi.org/10.22074/ijfs.2015.4217
