Jede Bewegung, Wahrnehmung und jeder Gedanke wird durch Elektrizität gesteuert.
Wenn Ihnen dies unwahrscheinlich erscheint, liegt es wahrscheinlich daran, dass Sie davon ausgehen, dass sich Elektrizität und der menschliche Körper nicht vermischen. Aber so wie elektrische Signale die Kommunikationsnetze der Welt untermauern, entdecken wir, dass sie dasselbe in unserem Körper tun: Bioelektrizität ist, wie unsere Zellen miteinander kommunizieren.
Dank empfindlicherer Instrumente, besserer Techniken zur Messung unserer angeborenen Elektrizität auf zellulärer Ebene und einem daraus resultierenden tieferen Verständnis dieser zellulären Prozesse können wir jetzt viel mehr tun, um diese Kommunikationssignale zu interpretieren, zu unterbrechen oder umzuleiten. Die Anwendungen sind unzählig, aber besonders vielversprechend und unmittelbar, um den Körper zu reparieren, wenn es schief geht, sei es aufgrund von Traumata, Geburtsfehlern oder Krebs. Die Arten von Korrekturen, die durch bioelektrische Eingriffe ermöglicht werden, sind geradezu schockierend.
Der Körper elektrisch
Bioelektrizität ist nicht die Art von Elektrizität, die Ihre Lichter einschaltet, wenn Sie den Schalter betätigen. Diese Art von Elektrizität basiert auf Elektronen: negativ geladene Teilchen, die in einem Strom fließen. Der menschliche Körper — einschließlich des Gehirns – läuft auf einer ganz anderen Version: die Bewegungen von meist positiv geladenen Ionen von Elementen wie Kalium, Natrium und Kalzium.
So wandern alle Signale innerhalb und zwischen dem Gehirn und jedem Organ und Agenten der Wahrnehmung, Bewegung und Kognition. Es ist grundlegend für unsere Fähigkeit zu denken, zu sprechen und zu gehen. Und es stellt sich heraus, dass es auch eine große Rolle dabei spielt, wie sich unsere Zellen gegenseitig mitteilen, welche Systeme, in denen sie sich befinden, gesund sind — oder nicht.
Dies war nicht immer offensichtlich. Louis Langman zum Beispiel war seiner Zeit voraus. Er arbeitete in den 1920er Jahren in New York City und bot Patienten auf seiner Station des Bellevue Gynecological Service eine ungewöhnliche Diagnose für Krebs an: zwei Elektroden, eine in den Vaginalkanal und eine in das Schambein. Diese ermöglichten es ihm, den elektrischen Spannungsgradienten zwischen dem Gebärmutterhals und der ventralen Bauchwand zu messen. Wenn Langman eine deutliche Veränderung dieses Gradienten feststellte, bot er der Frau eine Laparotomie an, um zu überprüfen, ob sein Verdacht berechtigt war.
Die Technik war überraschend effektiv. Von den 102 Fällen, in denen Schwankungen eine signifikante Verschiebung des Spannungsgradienten zeigten, wurden 95 als Malignome bestätigt. Die genauen Orte des Krebses variierten, aber sie wurden oft identifiziert, bevor die Frau offensichtliche Symptome hatte.
Langman und sein Co-Autor, der Yale-Anatom Harold Saxton Burr, gehörten zu einer kleinen Clique von Wissenschaftlern, die die elektrischen Eigenschaften von menschlichem Gewebe untersuchten. Sie glaubten, dass alle Lebewesen — von Mäusen über Menschen bis hin zu Pflanzen – durch elektrische Felder geformt und gesteuert werden, die mit Standardvoltmetern gemessen und kartiert werden können.
Langman und Burr hatten Recht, aber ihre Ergebnisse wurden bis 1949 kaum verstanden, als Alan Hodgkin und Andrew Huxley entdeckten, wie Ionen elektrische Signale über Nervenzellmembranen springen lassen. Dieser Durchbruch, für den sie später einen Nobelpreis erhielten, hätte eine Explosion der Forschung auslösen sollen, einschließlich der Suche nach ionischer Kommunikation jenseits des Nervensystems.
Aber kaum hatten Hodgkin und Huxley diesen Mechanismus entdeckt, wurde er durch einen weiteren Durchbruch in den Schatten gestellt: 1953 gaben James Watson und Francis Crick bekannt, dass sie die Doppelhelixstruktur der DNA entdeckt hatten. Die gesamte Disziplin der Biologie reorganisierte sich schnell um Gene. Bioelektrizität wurde zu einem Nischenproblem innerhalb der Neurowissenschaften degradiert.
Es half nicht, dass es keine Möglichkeit gab, Ionenflüsse in vielen anderen Zelltypen im Körper zu untersuchen, ohne sie zu töten, wodurch die untersuchten Prozesse ausgelöscht wurden. Das heißt, bis 1976, als Erwin Neher und Bert Sakmann ein Werkzeug entwickelten, um genau das zu tun — Wissenschaftler können beobachten, wie einzelne Ionen in und aus Neuronen treiben. Sie verwendeten ihre „Patch Clamp“ -Technik, um die Kanäle zu entdecken, die es Ionen ermöglichen, Zellmembranen zu durchdringen.
Unter der Haut
Die Jagd nach bioelektrischer Kommunikation war im Gange, und die Genetik wurde vom Erzfeind der Bioelektrizität zu ihrem besten Freund. Wissenschaftler konnten nun Zellen mit und ohne bestimmte Ionenkanäle klonen und sehen, was passiert ist. Dies führte schnell zur Wiederentdeckung bioelektrischer Signale in vielen Arten von Zellen jenseits des Nervensystems.
Eine der frühesten waren Hautzellen, die bei Verletzungen ein elektrisches Feld erzeugen. Sie können diesen sogenannten Verletzungsstrom selbst spüren: Beißen Sie sich fest in die Wange und legen Sie dann Ihre Zunge darauf. Du wirst ein Kribbeln spüren. Du spürst die Spannung. Der Wundstrom ruft das umgebende Gewebe an und zieht Helfer wie Heilmittel, Makrophagen, um das Durcheinander aufzuwischen, und kollagenwebende Reparaturzellen, die Fibroblasten genannt werden, an.
Aber dieser Strom war bis vor wenigen Jahren schwierig zu messen — die zerbrechlichen, ultraempfindlichen Geräte, die in der Lage waren, die ein- und ausströmenden Ionen zu identifizieren, konnten nicht gestört werden und funktionierten nicht in einer trockenen Umgebung wie der Haut. Aber im Jahr 2012 schuf Richard Nuccitelli ein nicht-invasives Gerät, das mit der Haut umgehen konnte, so dass menschliche Verletzungsströme genau überwacht werden konnten. Er entdeckte, dass es bei Verletzungen seinen Höhepunkt erreicht, schwindet, wenn die Wunde heilt, und kehrt zu nicht nachweisbar zurück, wenn die Heilung abgeschlossen ist.
Interessanterweise stellte er aber auch fest, dass Menschen, deren Verletzungsstrom schwach war, langsamer heilten als Menschen, deren Verletzungsstrom „lauter“ war.“ Noch interessanter: Die Stromstärke nimmt mit zunehmendem Alter ab und gibt ein Signal ab, das bei über 65-Jährigen nur halb so stark ist wie bei unter 25-Jährigen.
Dies hat zu einem Anstieg des Interesses geführt, die natürliche Elektrizität unseres Körpers zu nutzen, um die Wundheilung zu beschleunigen oder zu verbessern. Ann Rajnicek von der University of Aberdeen hat herausgefunden, dass, wenn sie kanalblockierende Medikamente verwendete, um Natriumionen zu hemmen und dadurch die elektrischen Signale des Wundstroms bei Ratten zu unterbrechen, ihre Wunden länger brauchten, um zu heilen.
Könnte das Gegenteil der Fall sein? Könnte die Verstärkung des natürlichen elektrischen Feldes der Haut die Heilungszeiten verkürzen oder sogar die Heilung von Wunden ermöglichen, die extrem heilungsresistent sind?
Jüngste Studien zeigen, dass die Antwort ja ist. Vielleicht sind die erschütterndsten Arten von Wunden schwere Wunden, die Monate bis Jahre dauern können, um zu heilen (wenn sie überhaupt heilen) und Gewebe, Muskeln und Knochen tief unter der Haut angreifen. Zwei kürzlich durchgeführte Metaanalysen kamen zu dem Schluss, dass die Verstärkung des natürlichen Wundstroms durch elektrische Stimulation verhinderte, dass sich alle verschlimmerten, und sogar einige der schlimmsten vollständig heilte. Elektrische Stimulation verdoppelt fast ihre Heilung. Ähnlich faszinierende Ergebnisse wurden für nicht heilende diabetische Wunden erzielt – die Art, die zur Amputation von Gliedmaßen führt, die normalerweise innerhalb weniger Jahre zum Tod führt.
Die Wirkung ist auch nicht auf die Haut beschränkt. Eine wachsende Zahl von Beweisen in den letzten Jahrzehnten legt nahe, dass die gleiche Art der elektrischen Stimulation die Heilung von Knochenbrüchen beschleunigen kann — was für die Behandlung oder sogar Prävention von Osteoporose relevant sein kann. Es gibt sogar wachsende Beweise dafür, dass die gleichen zellulären elektrischen Mechanismen genutzt werden könnten, um Wirbelsäulenverletzungen zu beheben.
Die Zukunft der Bioelektrizität
Warum wird die elektrische Stimulation nicht von jedem Chirurgen an jeder Wunde angewendet?
Eine kürzlich durchgeführte Studie ergab, dass die Idee, dass Elektrizität in der Biologie relevant ist, für eine breite Akzeptanz noch zu neu und kontraintuitiv ist. Und selbst wenn Kliniker davon gehört haben, wissen sie nicht, wie sie es verwenden sollen: Keine bestehenden Richtlinien geben den aktuellen Typ an (direkt? abwechselnd?) oder die Parameter (wie lange sollte es angewendet werden? wie stark sollte es sein?). Auch die Werkzeuge sind nicht standardisiert. Es ist kein Wunder, dass Therapeuten in Ermangelung klarer Empfehlungen lieber auf Antibiotika zurückgreifen, als die Verantwortung für diese einschüchternden Optionen zu übernehmen.
Darüber hinaus beklagen Forscher in vielen klinischen Studien, dass das Kit mit seinen Elektroden und Stromquellen zu umständlich ist, die natürliche Bewegung einschränkt und die Compliance der Patienten behindert. Dies kann jedoch kein Problem mehr sein. Viele Labore und private Unternehmen arbeiten heute an bioelektrischen Wundauflagen – Polyester oder andere mit Silber und anderen biologisch aktiven Wirkstoffen imprägnierte Substrate, die durch die „Wundflüssigkeit“ aktiviert werden und den natürlichen Wundstrom verstärken. Zukünftige Versionen können eine stärkere Ladung tragen.
Ende letzten Jahres entwickelte ein gemeinsames US-chinesisches Team der University of Wisconsin und der Huazhong University einen tragbaren Nanogenerator, der in das Verbanddesign geschoben werden konnte, um das zunehmende elektrische Feld aus alltäglichen Bewegungen des Trägers zu erzeugen. Ratten, die diesen Verband trugen, brauchten durchschnittlich drei Tage, um zu heilen; diejenigen, die es nicht taten, brauchten 12.
Es kann sogar möglich sein, den Wundstrom ohne elektrische Stimulation zu verstärken. Dies ist wichtig bei Verletzungen, bei denen Sie nicht unbedingt Strom oder einen Verband anlegen möchten, z. B. bei Augenverletzungen. Min Zhao von der University of California, Davis, zeigte, dass Risse in der Hornhaut schneller heilen, wenn bestimmte Ionenkanäle mit einfachen Augentropfen manipuliert werden, um die Größe der Wundströme zu erhöhen — Bioelektrizität ohne Elektrizität.
Der Zusammenhang zwischen Krebs und Elektrizität
Wenn Ärzte Herz und Verstand gewinnen können, ist die Wundheilung wahrscheinlich die unmittelbarste klinische Anwendung der bioelektrischen Forschung. Aber was wir in den nächsten 10 Jahren erwarten können, ist mehr Klarheit darüber, wie einzelne Zellen elektrische Kommunikation nutzen, um im Dienste des Körpers als Ganzes zusammenzuarbeiten.
Krebs wird als Wunde bezeichnet, die nicht heilt. Es gibt viele Ähnlichkeiten. Zum Beispiel bilden sich neue Blutgefäße, sowohl wenn Wunden heilen als auch wenn Zellen bösartig werden, und in beiden Fällen ändern sich die elektrischen Signale. Der Unterschied ist, dass bei Krebs die Signale nie aufhören.
Wie Langman und Burr in den 1920er Jahren vermuteten, können Krebserkrankungen durch ihre Störung weit verbreiteter bioelektrischer Eigenschaften des Körpers nachgewiesen werden — Störungen, die an Orten weit entfernt vom Tumor selbst nachweisbar sind. Burr zeigte, dass, wenn Sie einen Tumor in ein Tier implantieren, die elektrischen Signale seines Körpers fast sofort drunter und drüber gehen würden.
Krebs wird zunehmend als ein Versagen der Kommunikation angesehen; eine Fehlregulierung des Informationsfeldes, das die Aktivitäten einzelner Zellen so orchestriert, dass sie als Teil eines normalen lebenden Systems funktionieren. Einzelne Zellen „vergessen“, dass sie Teil eines größeren Ganzen sind und behandeln den Rest des Körpers als eine Umgebung, deren Ressourcen genutzt werden können, um sich selbst zu ernähren.
Dies ist eine große Abweichung von der Mainstream-Ansicht, die jahrzehntelang der Ansicht war, dass das, was eine gesunde Zelle in eine Krebszelle verwandelt, einfach die Anhäufung von genetischen Schäden ist. Mutationen, so die Geschichte, führen zu unbegrenzter Proliferation.
Aber was wäre, wenn es mehr zu dieser Geschichte gäbe? Michael Levin von der Tufts University war einer der ersten, der sich fragte, ob die Unfähigkeit einer Zelle, normal mit den Strukturierungsnetzwerken des Körpers zu kommunizieren, auch für das Verhalten von Krebs relevant war.
Es gibt immer mehr Beweise dafür. Die elektrischen Felder, die durch Ionen erzeugt werden, die über Haut- oder Organgewebe pumpen, senden Signale an die Zellen, um die Migration zu starten, was auch für die Ausbreitung von Krebs im Körper entscheidend ist. Mustafa Djamgoz vom Imperial College London hat die Rolle eines bestimmten Natriumkanals bei Brust- und Prostatakrebs untersucht. Diese vermehren sich in Krebszellen und machen sie elektrisch aktiver als die normalen Kontrollmechanismen des Körpers. Solche Zellen dringen dann in andere Gewebe ein und metastasieren.
Bioelektrische Signale sind nicht nur an Metastasen beteiligt. Frankie Rawson von der University of Nottingham hat herausgefunden, dass eine andere Art von biologisch erzeugtem Strom bei Krebs wichtig ist, indem er die Neuprogrammierung von Energie ermöglicht — ein weiterer Schlüsselaspekt von Krebs.
Könnte Krebs rückgängig gemacht werden, indem die bioelektrischen Gespräche zwischen den Zellen kontrolliert werden? Im Jahr 2013 zeigte Levins Gruppe, dass sie einige Tumore in Kaulquappen verhindern oder rückgängig machen können, indem sie Medikamente verwenden, um ihre bioelektrischen Signale zu steuern. Dieselben Medikamente könnten Krebs aus der Ferne ein- und ausschalten, indem sie die Umgebung behandeln, nicht die Zellen selbst. Im Jahr 2016 stellten sie die normale bioelektrische Signalübertragung in Froschkaulquappen mit Tumoren wieder her. Diese waren gewachsen, breiteten sich aus und bildeten ihre eigene Blutversorgung, bis Levin mit Gentherapie neue, lichtaktivierte Ionenkanäle hinzufügte. Dadurch hörten die Zellen auf, sich unkontrolliert zu teilen – tatsächlich kehrten sie in einen gesunden Zustand zurück, nachdem sich die Tumore bereits gebildet hatten. Die Zellen in ihnen hörten einfach auf, Krebszellen zu sein.
Dieser Ansatz wäre beim Menschen problematisch, da die Gentherapie experimentell bleibt, Levin jedoch daran arbeitet, seine Ergebnisse mit Medikamenten zu wiederholen, die für andere Krankheiten zugelassen sind.
Die Reparatur eines kaputten bioelektrischen Kommunikationssystems könnte noch dramatischere Ergebnisse haben. Levin zielte darauf ab, katastrophale Missbildungen bei Kaulquappen umzukehren, die während der menschlichen Schwangerschaft dem Äquivalent von starkem Rauchen oder Alkoholkonsum ausgesetzt waren — beide verursachen embryonale Defekte, indem sie die bioelektrischen Signale stören, die von sich entwickelnden fetalen Zellen gesendet werden. Nach einem einzigen zweitägigen Bad in einem weit verbreiteten Ionenkanalmedikament ordneten sich die Kaulquappen neu und wuchsen normal. Die Implikation ist, dass Störungen wie das fetale Alkoholsyndrom und andere Geburtsfehler beim Menschen reversibel sein könnten.
Die breitere Implikation ist immer noch, dass wir innerhalb des nächsten Jahrzehnts genug über Bioelektrizität lernen könnten, um zu verändern, wie Zellnetzwerke kommunizieren und Entscheidungen darüber treffen, wie sie wachsen und sich entwickeln. Neue computergestützte Modellierungswerkzeuge werden hier ein wichtiger Faktor sein. Forscher wie Levin verwenden diese nun, um ihnen genau zu sagen, welche Kanäle optimiert werden müssen, um gewünschte Änderungen in größeren Stromkreisen (und damit physikalischen Änderungen) zu erzeugen.
Letztendlich sieht die Wundheilung eher nach der Art der Regeneration aus, für die Salamander berühmt sind — und tatsächlich hat Levin in mehreren Experimenten gezeigt, dass Gliedmaßen und Schwänze durch bioelektrisches Zwicken regeneriert werden können, selbst bei Arten wie Fröschen, die nicht von Natur aus dafür prädisponiert sind. Dies wirft die Aussicht auf zukünftige Behandlungen auf, bei denen ein betroffener Körperteil einfach entfernt und nachwachsen kann.
Den Schalter umlegen
Natürlich gibt es sehr viele Hürden zu überwinden, bevor wir anfangen, Krebs umzukehren, Gliedmaßen abzuschneiden oder lebenswichtige Organe auszuschneiden und neue zu züchten. Versuche am Menschen werden schwierig durchzuführen sein, und eine Zelle ist eine teuflisch komplizierte Umgebung mit vielen Variablen, die man im Auge behalten muss: Experimente zur Manipulation des bioelektrischen Feldes haben gezeigt, dass noch viele Lücken geschlossen werden müssen.
Nichtsdestotrotz entdecken wir immer mehr darüber, wie involviert und verbunden unsere zellularen Kommunikationsnetze sind, in und über alle Zellen hinweg. Letztes Jahr fand Djamgoz heraus, dass die Unterdrückung seiner speziellen Natriumkanäle mit einem Medikament die Metastasierung bei Ratten mit Prostatakrebs stoppen könnte. Er hat bereits ein Patent angemeldet, um spannungsgesteuerte Natriumkanalblocker als Anti-Metastasen-Medikamente zu verwenden.
Was erst im letzten Jahrzehnt klar geworden ist, ist die Möglichkeit, die Kommunikation anzuzapfen, zu verstärken und zu unterbrechen. Im nächsten Jahrzehnt können wir schnelle Fortschritte machen, wenn wir uns mit der Idee auseinandersetzen können, dass unsere Körper mindestens so elektrisch wie chemisch oder mechanisch sind. Zum Teil geht es darum, nicht nur zu verstehen, welche Auswirkungen die bioelektrischen Signale haben, sondern auch zu verstehen, was sie tatsächlich bedeuten. Rechenmodelle, die vorschlagen, welche Ionenkanal-Optimierungen mit welchen physikalischen Änderungen übereinstimmen, werden nur präziser, wenn das Rechnen leistungsfähiger wird. Und Forscher beginnen, die Lücken zwischen Disziplinen — Biophysik, Ingenieurwesen oder Molekularbiologie — zu schließen, die den Fortschritt auf diesem Gebiet lange Zeit vereitelt haben.
Der Traum ist es, innerhalb von 10 oder 20 Jahren diese Erkenntnisse zu nutzen, um die elektrischen Eigenschaften biologischer Gewebe auf die gleiche Weise zu profilieren, wie wir ihre genetische Basis profiliert haben — das heißt, das menschliche „Elektrome“ zu vervollständigen und es dann zu verwenden Knacken Sie den menschlichen bioelektrischen Code.
Nach fast einem Jahrhundert der Vernachlässigung und Stagnation hat die Wissenschaft der Bioelektrizität endlich einen Wendepunkt erreicht: Wir sind bereit, den bioelektrischen Code jetzt zu knacken.
Dieser Aufsatz wurde von einem Finalisten des Nesta Tipping Point Prize adaptiert. Lesen Sie alle Essays hier.