každý Váš pohyb, vnímání a myšlení jsou řízeny elektřiny.
pokud se vám to zdá nepravděpodobné, je to pravděpodobně proto, že předpokládáte elektřinu a lidské tělo se nemíchá. Ale stejně jako elektrické signály jsou základem komunikační sítě na světě, zjišťujeme, že dělají totéž v našem těle: Energie je to, jak naše buňky vzájemně komunikovat.
Díky více citlivé přístroje, lepší techniky, jak měřit naše vrozené elektrické energie na buněčné úrovni, a následné hlubší pochopení těchto buněčných procesů, můžeme nyní udělat mnohem více, interpretovat, přerušit, nebo přesměrovat tyto komunikační signály. Aplikace jsou nesčetné, ale obzvláště slibné a okamžité pro fixaci těla, když se pokazí, ať už kvůli traumatu, vrozeným vadám nebo rakovině. Druhy oprav umožněných bioelektrickými zásahy jsou naprosto šokující.
elektrické tělo,
Bioelektřiny, není ten druh elektrické energie, která zapne světla, když přejedete přepínače. Tento druh elektřiny je založen na elektronech: záporně nabité částice proudící v proudu. Lidské tělo-včetně mozku-běží na velmi odlišné verzi: pohyby většinou kladně nabitých iontů prvků, jako je draslík, sodík a vápník.
takto se pohybují všechny signály uvnitř a mezi mozkem a každým orgánem a činitelem vnímání, pohybu a poznávání. Je to zásadní pro naši schopnost myslet, mluvit a chodit. A ukázalo se, že také hraje velkou roli v tom, jak si naše buňky navzájem říkají, že systémy, ve kterých sídlí, jsou zdravé—nebo ne.
to nebylo vždy zřejmé. Louis Langman, například, předběhl svou dobu. Práce v roce 1920 v New Yorku, nabídl pacientů na jeho oddělení v Bellevue Gynekologické Služby neobvyklý diagnostiku rakoviny: dvě elektrody, jednu umístí do vaginálního kanálu a další na stydké kosti. Ty mu umožnily měřit gradient elektrického napětí mezi děložním hrdlem a ventrální břišní stěnou. Pokud Langman zjistil výraznou změnu v tomto gradientu, nabídl ženě laparotomii, aby zkontroloval, zda jsou jeho podezření oprávněná.
tato technika byla překvapivě účinná. Ze 102 případů, kdy výkyvy odhalily významný posun gradientu napětí, bylo u 95 potvrzeno malignit. Přesné umístění rakoviny se lišilo, ale byly často identifikovány dříve, než žena zažila zjevné příznaky.
Langman a jeho spoluautor, anatom Yale Harold Saxton Burr, patřili k malé klice vědců zkoumajících elektrické vlastnosti lidské tkáně. Věřili, že všechny živé věci – od myší přes muže až po rostliny-jsou formovány a řízeny elektrickými poli, která lze měřit a mapovat pomocí standardních voltmetrů.
Langman a Burr byly správné, ale jejich nálezy byly špatně pochopeny až do roku 1949, kdy Alan Hodgkin a Andrew Huxley zjistil, jak ionty pomocí elektrických signálů hop přes nervových buněčných membrán. To průlom, za které později získal Nobelovu cenu, by měl mít vyvolala explozi výzkumu, včetně hledá iontové komunikace mimo nervový systém.
Ale ne dříve Hodgkin a Huxley objevil tento mechanismus, než byl zastíněn další průlom: V roce 1953 James Watson a Francis Crick oznámila, že objevili dvojité šroubovice struktury DNA. Celá disciplína biologie se rychle reorganizovala kolem genů. Bioelektrika byla zařazena do výklenku v neurovědě.
To nepomohlo, že tam byl žádný způsob, jak studovat iontové toky v mnoha jiných typů buněk v těle, aniž by je zabil, čímž hašení velmi procesů studovány. To je, až do roku 1976, kdy Erwin Neher a Bert Sakmann vyvinuli nástroj, jak udělat právě to—umožnit vědcům sledovat jednotlivé ionty drifting dovnitř a ven z neuronů. Použili techniku“ patch clamp “ k objevení kanálů, které umožňují iontům pronikat buněčnými membránami.
pod kůží
hon na bioelektrickou komunikaci pokračoval a genetika přešla z nemesis bioelektriky na svého nejlepšího přítele. Vědci nyní mohli klonovat buňky s konkrétními iontovými kanály i bez nich a zjistit, co se stalo. To vedlo rychle k znovuobjevení bioelektrické signalizace v mnoha druzích buněk mimo nervový systém.
jednou z prvních byly kožní buňky, které při poranění generují elektrické pole. Tento takzvaný úrazový proud můžete cítit sami: tvrdě kousněte do tváře a poté na něj položte jazyk. Budete cítit brnění. To je to, co cítíte napětí. Rána aktuální volání ven do okolní tkáně, přilákat pomocníky, jako léčivé látky, makrofágy, aby vytřít nepořádek, a kolagen-tkaní opravy buněk zvaných fibroblasty.
Ale tento proud bylo složité, aby opatření ještě před pár lety—křehké, ultra-citlivé zařízení, které byly schopny identifikovat ionty proudí dovnitř a ven z buněk nemohl být rušen a nebude fungovat na suché prostředí, jako je kůže. Ale v roce 2012 Richard Nuccitelli vytvořil neinvazivní zařízení, které by se mohlo vypořádat s kůží, což by umožnilo bedlivě sledovat proudy zranění lidí. Zjistil, že vrcholí při zranění, slábne, jak se rána hojí, a po dokončení hojení se vrátí k nezjistitelné.
je však zajímavé, že také zjistil, že lidé, jejichž proud zranění byl slabý, se uzdravovali pomaleji než lidé, jejichž proud zranění byl “ hlasitější.“Ještě zajímavější: síla proudu rány s věkem klesá a vyzařuje signál, který je u starších 65 let jen o polovinu silnější než u 25 let.
to vedlo k nárůstu zájmu o využívání přirozené elektřiny našeho těla k urychlení nebo zlepšení hojení ran. Ann Rajnicek na Univerzitě v Aberdeenu bylo zjištěno, že pokud ona používá channel-blokátory inhibují ionty sodíku, a tím přerušit elektrické signály odeslané do rána aktuální u potkanů, jejich zranění trvalo déle léčit.
může být opak pravdou? Mohlo by zesílení přirozeného elektrického pole pokožky snížit dobu hojení, nebo dokonce umožnit hojení ran, které jsou extrémně odolné vůči hojení vůbec?
nedávné studie naznačují, že odpověď je ano. Snad nejvíce trýznivé druhy ran jsou těžké postele vředy, které mohou trvat měsíce až roky léčit (pokud se hojí vůbec) a útok tkáně, svalů a kostí hluboko pod kůži. Dvě nedávné meta-analýzy dospěl k závěru, že zesiluje přirozené hojení proud s elektrickou stimulací, aby vše nebylo ještě horší, a dokonce i vyléčit některé ty nejhorší úplně. Elektrická stimulace téměř zdvojnásobuje jejich hojení. Podobně zajímavé výsledky byly získány u nehojících se diabetických ran—druhu, který vede k amputaci končetin, což obvykle vede během několika let k smrti.
ani účinek není omezen na kůži. Rostoucí tělo důkazů, v průběhu několika posledních desetiletí naznačuje, že stejný druh elektrické stimulace, může urychlit hojení zlomenin, což může být důležité při léčbě nebo i prevenci osteoporózy. Existují dokonce rostoucí důkazy, že stejné buněčné elektrické mechanismy by mohly být využity k opravě poranění páteře.
budoucnost bioelektriky
tak proč není elektrická stimulace používána každým chirurgem na každé ráně?
nedávná studie zjistila, že myšlenka elektřiny jsou důležité v biologii je ještě příliš nové a neintuitivní pro široké přijetí. A i když o tom lékaři slyšeli, nevědí, jak ji používat: žádné stávající pokyny nespecifikují ani aktuální typ(přímý? střídání?) nebo parametry (jak dlouho by měla být použita? jak silná by měla být?). Dokonce ani nástroje nejsou standardizovány. Není divu, že při absenci jasných doporučení se terapeuti raději uchýlí k antibiotikům, než aby převzali odpovědnost za tento zastrašující soubor možností.
kromě toho se v mnoha klinických studiích vědci stěžují, že souprava s elektrodami a zdroji energie je příliš těžkopádná, omezuje přirozený pohyb a brání dodržování pacienta. Ale to nemusí být problém mnohem déle. Mnoho laboratoří a soukromé firmy nyní pracují na bioelektrické obvazy—polyester, nebo jiné substráty impregnované stříbrem a další biologicky aktivní látky, které jsou aktivovány tím, že „rány fluid“ a zesílit přirozené hojení aktuální. Budoucí verze mohou nést výkonnější náboj.
Koncem loňského roku, společný americko-Čínský tým z University of Wisconsin a Huazhong University vyvinul nositelné nanogenerator, které by mohly být vklouzl do obvaz design generovat rozšiřovat elektrické pole z každodenního pohybu nositele. Krysy, které nosily tento obvaz, se uzdravily v průměru tři dny; ty, které netrvaly 12.
může být dokonce možné zvýšit proud rány bez elektrické stimulace. To je důležité pro zranění, kde nepotřebujete použít elektřinu nebo obvaz, jako jsou zranění očí. Min Zhao na University of California, Davis, ukázal, že ripy v rohovce hojí rychleji, když některé iontové kanály se manipulovat s jednoduchými oční kapky pro zvýšení velikosti rány proudy—elektrické energie, bez elektřiny.
spojení mezi rakovinou a elektřinou
pokud lze získat srdce a mysl lékařů, hojení ran je pravděpodobně nejbezprostřednější klinickou aplikací bioelektrického výzkumu. Ale to, co můžeme očekávat v příštích 10 letech, je větší jasnost o tom, jak jednotlivé buňky používají elektrickou komunikaci ke spolupráci ve službách těla jako celku.
rakovina byla nazývána ranou, která se nehojí. Existuje mnoho podobností. Například nové krevní cévy se tvoří jak při hojení ran, tak při zhoubných buňkách a v obou případech dochází ke změnám elektrických signálů. Rozdíl je v tom, že u rakoviny se signály nikdy nezastaví.
Jako Langman a Burr podezření, že v roce 1920, rakoviny mohou být detekovány jejich narušení široce distribuován bioelektrické vlastnosti těla—narušení zjistitelné na místech daleko od samotného nádoru. Burr ukázal, že pokud implantujete nádor do zvířete, elektrická signalizace jeho těla by téměř okamžitě zmizela.
Rakovina začíná být viděn stále více jako selhání komunikace; misregulation pole informací, které organizuje jednotlivé buňky činnosti k fungování jako součást normální životní systém. Jednotlivé buňky „zapomenout“, že jsou součástí většího celku a léčit zbytek těla jako prostředí, jehož prostředky mohou být využity, aby se uživili.
To je velký odklon od tradiční pohled, který se po desetiletí konaly to, co se zdravé buňky na rakovinné buňky, je prostě hromadění genetických poškození. Mutace, příběh šel, vedou k neomezenému šíření.
ale co kdyby toho bylo víc? Michael Levin na Tufts University, byl jedním z prvních, aby zajímalo by mě, jestli buňka, neschopnost normálně komunikovat s tělem je vzorování sítí byl také relevantní pro chování rakoviny.
přibývá důkazů, že tomu tak je. Elektrické pole generované ionty čerpání přes kožní nebo orgánové tkáně posílat podněty na buňky k začátku migrace, což je také velmi důležité při rakovině šíří do celého těla. Mustafa Djamgoz na Imperial College v Londýně zkoumal roli určitého druhu sodíkového kanálu u rakoviny prsu a prostaty. Ty se proliferují v rakovinných buňkách, což je činí elektricky aktivnějšími, než mohou normální kontrolní mechanismy těla zvládnout. Takové buňky pak napadají jiné tkáně a metastazují.
bioelektrické signály nejsou zapojeny pouze do metastáz. Frankie Rawson z University of Nottingham zjistil, že jiný druh biologicky generovaného proudu je důležitý v rakovině tím, že umožňuje přeprogramování energie-další klíčový aspekt rakoviny.
mohla by být rakovina zvrácena řízením bioelektrických konverzací mezi buňkami? V roce 2013 Levinova skupina ukázala, že mohou zabránit nebo zvrátit některé nádory u pulců pomocí léků k cílení jejich bioelektrické signalizace. Stejné léky by mohly zapínat a vypínat rakovinu na dálku tím, že léčí životní prostředí, nikoli samotné buňky. V roce 2016 obnovili normální bioelektrickou signalizaci u žabích pulců s nádory. Ty rostly, šířily se a vytvářely vlastní krevní zásobení, dokud Levin nepřidal nové, světlem aktivované iontové kanály s genovou terapií. To způsobilo, že buňky zastavit nekontrolovatelně se dělící—ve skutečnosti, oni vrátil se do zdravého stavu po nádory již vytvořena. Buňky uvnitř nich prostě přestaly být rakovinnými buňkami.
tento přístup by byl u lidí problematický, protože genová terapie zůstává experimentální, ale Levin pracuje na opakování svých výsledků s léky schválenými pro jiná onemocnění.
Oprava rozbitého bioelektrického komunikačního systému by mohla mít ještě dramatičtější výsledky. Levin cílem zvrátit katastrofální deformity v pulce, které byly podrobeny což je ekvivalent těžké kouření nebo konzumace alkoholu během lidské gravidity—oba, které způsobují embryonální vady tím, že manipulují s bioelektrické signály zaslané vyvíjející se fetální buňky. Po jediné dvoudenní lázni v široce dostupném léku s iontovým kanálem se pulci přeskupili a rostli jako obvykle. Důsledkem je, že poruchy, jako je fetální alkoholový syndrom a další vrozené vady, by mohly být u lidí nakonec reverzibilní.
širší důsledky stále je, že v příštím desetiletí, jsme se mohli dozvědět dost o bioelektřiny změnit, jak mobilní sítí, komunikovat a rozhodovat o tom, jak se růst a rozvíjet se. Hlavním faktorem zde budou nové nástroje pro výpočetní modelování. Vědci včetně Levina je nyní používají, aby jim přesně řekli, které kanály je třeba vyladit, aby vytvořily požadované změny ve větších elektrických obvodech(a tím i fyzické změny).
Nakonec, hojení ran vypadá spíše jako druh regenerace, pro které mloci jsou známé—a skutečně, Levin prokázal v několika experimentů, které končetiny a ocas mohou být regenerovány pomocí bioelektrické ladění, a to i u druhů, jako žáby, které nejsou přirozeně náchylní k tomu. To zvyšuje vyhlídky na budoucí léčby, které zahrnují pouhé odstranění postižené části těla a obnovitelných.
Přehodit výhybku
Jasně, existuje mnoho překážek, aby se jasné, než začneme uvedení rakovinu zpátečku, odřezání končetin, nebo vysekávání životně důležitých orgánů a rostou nové. Pokusy na lidech bude těžké provádět, a buňka je ďábelsky složité prostředí s mnoha proměnnými sledovat: experimenty v manipulování bioelektrické pole odhalily, že stále existuje mnoho mezer, které mají být připojen.
Nicméně, stále objevujeme více o tom, jak zapojeny a připojeny naše mobilní komunikační sítě jsou, a přes všechny buňky. V loňském roce Djamgoz zjistil, že potlačení jeho konkrétních sodíkových kanálů lékem by mohlo zastavit metastázy u potkanů s rakovinou prostaty. Ten už podal patent na opakované využití napěťově řízených sodíkových kanálů, jako anti-metastatické drogy.
to, co se v posledním desetiletí ukázalo, je možnost napojení na komunikaci, její zesílení a přerušení. V příštím desetiletí můžeme dosáhnout rychlého pokroku, pokud se nám podaří dostat naše hlavy kolem myšlenky, že naše těla jsou přinejmenším stejně elektrická jako chemická nebo mechanická. Částečně jde o to jít nad rámec pouhého pochopení toho, jaké účinky mají bioelektrické signály k pochopení toho, co ve skutečnosti znamenají. Výpočetní modely, které naznačují, které iontový kanál vylepšení, které odpovídají fyzické změny, bude jen získat více přesné, jak computing se stává silnější. A vědci začínají překlenout mezery mezi disciplín—biofyzika, inženýrství nebo molekulární biologie—a to již dlouho frustrovaný pokroku v této oblasti.
sen, do 10 nebo 20 let, je využít tyto poznatky k profilu elektrické vlastnosti biologických tkání, stejným způsobem, máme profilované jeho genetický základ—to je, aby kompletní lidské „electrome“ a pak jej použít crack lidské bioelektrické kód.
Po téměř století zanedbávání a stagnace, věda bioelektřiny, konečně dosáhl bodu zvratu: Jsme připraveni prolomit bioelektrický kód.
tato esej byla upravena od finalisty ceny Nesta ‚ s Tipping Point. Přečtěte si všechny eseje zde.