jokainen liikkeesi, havaintosi ja ajatuksesi ovat sähkön ohjaamia.
jos tämä tuntuu sinusta epätodennäköiseltä, se johtuu luultavasti siitä, että oletat, että sähkö ja ihmiskeho eivät sekoitu. Mutta aivan kuten sähköiset signaalit tukevat maailman viestintäverkkoja, huomaamme, että ne tekevät samoin kehossamme: Biosähkö on se tapa, jolla solumme kommunikoivat keskenään.
herkempien instrumenttien, parempien tekniikoiden, joilla voidaan mitata synnynnäistä sähköämme solutasolla, ja siitä johtuvan soluprosessien syvällisemmän ymmärtämisen ansiosta voimme nyt tehdä paljon enemmän tulkitaksemme, keskeyttääksemme tai ohjataksemme uudelleen näitä kommunikaatiosignaaleja. Sovellukset ovat lukemattomia, mutta erityisen lupaava ja välitön vahvistamisesta kehon, kun se menee pieleen, onko koska trauma, syntymävaurioita, tai syöpä. Biosähköisten interventioiden mahdollistamat korjausliikkeet ovat suorastaan järkyttäviä.
korisähkö
Biosähkö ei ole sellaista sähköä, joka sytyttää valot kytkintä painettaessa. Tällainen sähkö perustuu elektroneihin: negatiivisesti varautuneisiin hiukkasiin, jotka virtaavat virrassa. Ihmiskeho-myös aivot-toimii hyvin erilaisella versiolla: pääasiassa positiivisesti varautuneiden alkuaineiden, kuten kaliumin, natriumin ja kalsiumin, ionien liikkeillä.
näin kaikki signaalit kulkevat aivojen sisällä ja niiden välillä sekä jokaisen aistin -, liike-ja kognitioelimen ja-tekijän välillä. Se on olennaista kyvyllemme ajatella, puhua ja kävellä. Kävi ilmi, että sillä on myös suuri merkitys siinä, miten solumme kertovat toisilleen, että järjestelmät, joissa ne asuvat, ovat terveitä—tai sitten eivät.
tämä ei ole aina ollut itsestään selvää. Esimerkiksi Louis Langman oli aikaansa edellä. Työskennellessään 1920-luvulla New Yorkissa hän tarjosi Bellevuen gynekologisen palvelun osastonsa potilaille epätavallista syöpädiagnostiikkaa: kaksi elektrodia, joista toinen asetettiin emättimen kanavaan ja toinen häpyluuhun. Niiden avulla hän pystyi mittaamaan kohdunkaulan ja vatsalaukun välisen jännitegradientin. Jos Langman havaitsi selvän muutoksen tässä kaltevuudessa, hän tarjosi naiselle laparotomiaa tarkistaakseen, oliko hänen epäilyksensä perusteltuja.
tekniikka oli yllättävän tehokas. Niistä 102 tapauksesta, joissa vaihtelut paljastivat merkittävän muutoksen jännitegradientissä, 95: llä todettiin maligniteetteja. Tarkat syöpäpaikat vaihtelivat, mutta ne tunnistettiin usein ennen kuin nainen oli saanut selviä oireita.
Langman ja hänen työtoverinsa, Yalen anatomi Harold Saxton Burr, kuuluivat pieneen tutkijaryhmään, joka tutki ihmiskudoksen sähköisiä ominaisuuksia. He uskoivat, että kaikki elolliset—hiiristä ihmisiin ja kasveihin—muovataan ja ohjataan sähkökentillä, joita voidaan mitata ja kartoittaa tavallisilla volttimittareilla.
Langman ja Burr olivat oikeassa, mutta heidän havaintonsa ymmärrettiin huonosti, kunnes vuonna 1949 Alan Hodgkin ja Andrew Huxley keksivät, miten ionit auttavat sähkösignaaleja hyppimään hermosolukalvojen läpi. Tämän läpimurron, josta he saivat myöhemmin Nobelin palkinnon, olisi pitänyt saada aikaan räjähdysmäinen tutkimus, johon kuului myös hermoston ulkopuolisen ionisen viestinnän etsiminen.
mutta tuskin Hodgkin ja Huxley olivat löytäneet tämän mekanismin, kuin se olisi jäänyt toisen läpimurron varjoon: vuonna 1953 James Watson ja Francis Crick ilmoittivat löytäneensä DNA: n kaksoiskierteen rakenteen. Koko biologian tieteenala järjestäytyi nopeasti geenien ympärille. Bioelectricity oli taantunut niche huolenaihe neurotieteen.
ei auttanut se, että ei ollut mitään keinoa tutkia ionivirtoja monissa muissa elimistön solutyypeissä tappamatta niitä, jolloin juuri tutkitut prosessit sammuivat. Toisin sanoen vuoteen 1976 asti, jolloin Erwin Neher ja Bert Sakmann kehittivät työkalun, jonka avulla tiedemiehet voivat seurata yksittäisten ionien ajautumista neuroneihin ja niistä ulos. He käyttivät” patch clamp ” – tekniikkaansa löytääkseen kanavat, joiden kautta ionit läpäisevät solukalvoja.
ihon alla
biosähköviestinnän metsästys oli käynnissä, ja genetiikka muuttui biosähköisyyden arkkivihollisesta sen parhaaksi ystäväksi. Tutkijat voisivat nyt kloonata soluja tietyillä ionikanavilla ja ilman niitä ja nähdä, mitä tapahtui. Tämä johti nopeasti biosähköisen signaloinnin uudelleen löytämiseen monenlaisissa hermojärjestelmän ulkopuolisissa soluissa.
yksi varhaisimmista olivat ihosolut, jotka vahingoittuessaan synnyttävät Sähkökentän. Voit tuntea tämän niin sanotun vamman virran itse: Pure poskea kovaa ja laita sitten kieli siihen. Tunnet kihelmöinnin. Sinä aistit jännitteen. Haavavirta hälyttää ympäröivään kudokseen ja houkuttelee paikalle auttajia, kuten parantajia, makrofageja siivoamaan sotkun ja kollageenista kudottuja korjaussoluja, joita kutsutaan fibroblasteiksi.
mutta tämä virta oli hankala mitata vielä muutama vuosi sitten-hauraat, erittäin herkät laitteet, jotka pystyivät tunnistamaan solujen sisään ja ulos virtaavat ionit, eivät voineet häiriintyä eivätkä toimia kuivassa ympäristössä kuten iholla. Mutta vuonna 2012 Richard Nuccitelli loi ei-invasiivisen laitteen, joka voisi käsitellä ihoa, jolloin ihmisen vammavirtoja voidaan seurata tarkasti. Hän huomasi, että se huipentuu loukkaantumiseen, heikkenee haavan parantuessa ja palaa huomaamattomaksi, kun paraneminen on valmis.
mutta kiinnostavasti hän havaitsi myös, että ihmiset, joiden vammavirta oli heikko, paranivat hitaammin kuin ihmiset, joiden vammavirta oli ”äänekkäämpi.”Vielä mielenkiintoisempaa: Haavavirran vahvuus heikkenee iän myötä, jolloin yli 65-vuotiaiden signaali on vain puolet vahvempi kuin alle 25-vuotiaiden.
tämä on johtanut siihen, että kiinnostus kehon luonnollisen sähkön käyttöön nopeuttaa tai parantaa haavan paranemista. Ann Rajnicek Aberdeenin yliopistosta on havainnut, että jos hän käytti kanavansulkulääkkeitä natriumionien estoon ja siten keskeytti haavavirran lähettämät sähköiset signaalit rotilla, niiden haavojen paraneminen kesti kauemmin.
voisiko asia olla päinvastoin? Voisiko ihon luonnollisen Sähkökentän tehostaminen vähentää paranemisaikoja tai edes mahdollistaa sellaisten haavojen paranemisen, jotka ovat ylipäätään erittäin vastustuskykyisiä paranemiselle?
tuoreiden tutkimusten mukaan vastaus on kyllä. Ehkä tuskallisimmat haavat ovat vaikeita makuuhaavoja, joiden paraneminen voi kestää kuukausista vuosiin (jos ne paranevat lainkaan) ja jotka iskevät syvälle ihon alle kudokseen, lihakseen ja luuhun. Kahdessa tuoreessa meta-analyysissä todettiin, että luonnollisen haavavirran vahvistaminen sähköstimulaatiolla esti niitä kaikkia pahenemasta ja jopa paransi osan pahimmista kokonaan. Sähköstimulaatio lähes kaksinkertaistaa heidän paranemisensa. Yhtä kiehtovia tuloksia on saatu myös parantumattomista diabeettisista haavoista—sellaisista, jotka johtavat raajojen amputointiin, mikä johtaa tavallisesti muutamassa vuodessa kuolemaan.
vaikutus ei myöskään rajoitu ihoon. Viime vuosikymmeninä lisääntyneet todisteet viittaavat siihen, että samanlainen sähköinen stimulaatio voi nopeuttaa luunmurtumien paranemista—millä voi olla merkitystä osteoporoosin hoidossa tai jopa ehkäisemisessä. On jopa kasvavaa näyttöä siitä, että samat solujen Sähköiset mekanismit voitaisiin valjastaa korjaamaan selkäydinvammoja.
biosähkön tulevaisuus
joten miksi jokainen kirurgi ei käytä sähköstimulaatiota jokaiseen haavaan?
tuoreessa tutkimuksessa havaittiin, että ajatus sähkön merkityksellisyydestä biologiassa on vielä liian uusi ja vastavaikutteinen laajalle hyväksyttäväksi. Ja vaikka kliinikot ovat kuulleet siitä, he eivät tiedä, miten sitä käytetään: ei olemassa olevia ohjeita määritellä joko nykyinen tyyppi(suora? vuorotellen?) tai parametrit (kuinka kauan sitä pitäisi soveltaa? kuinka vahva sen pitäisi olla?). Työkalujakaan ei ole standardoitu. Ei ole ihme, että selkeiden suositusten puuttuessa terapeutit mieluummin turvautuvat antibiootteihin kuin ottavat vastuun tästä uhkaavasta vaihtoehdosta.
lisäksi monissa kliinisissä tutkimuksissa tutkijat valittavat, että pakkaus elektrodeineen ja voimanlähteineen on liian vaivalloinen, rajoittaa luonnollista liikkumista ja haittaa potilaiden noudattamista. Mutta tämä ei välttämättä ole ongelma enää kauan. Monet labs ja yksityiset yritykset työskentelevät nyt biosähköisiä haavan sidoksia-polyesteriä tai muita substraatteja kyllästetty hopea ja muut biologisesti aktiiviset aineet, jotka aktivoidaan ”haava neste” ja vahvistaa luonnollinen haavavirta. Tulevissa versioissa saattaa olla tehokkaampi lataus.
viime vuoden lopulla Wisconsinin yliopiston ja Huazhongin yliopiston yhteinen yhdysvaltalais-kiinalainen tiimi kehitti puettavan nanogeneraattorin, joka voitiin sujauttaa sidesuunnitteluun tuottamaan lisäkentän käyttäjän jokapäiväisistä liikkeistä. Rotilla, jotka käyttivät tätä sidettä, kesti keskimäärin kolme päivää parantua; niillä, jotka eivät käyttäneet 12 päivää.
haavavirtaa voidaan jopa tehostaa ilman sähköstimulaatiota. Tämä on tärkeää vammoissa, joissa ei tarvitse käyttää sähköä tai sidettä, kuten silmävammoissa. Kalifornian yliopistossa Davisissa työskentelevä min Zhao osoitti, että sarveiskalvon repeämät paranevat nopeammin, kun tiettyjä ionikanavia manipuloidaan yksinkertaisilla silmätipoilla haavavirtojen eli bioelektroniikan koon kasvattamiseksi ilman sähköä.
syövän ja sähkön yhteys
jos lääkäreiden sydämet ja mielet voidaan voittaa puolelleen, haavan paraneminen on todennäköisesti biosähköisen tutkimuksen välittömin kliininen sovellus. Voimme kuitenkin odottaa näkevämme seuraavien 10 vuoden aikana enemmän selvyyttä siitä, miten yksittäiset solut käyttävät sähköistä viestintää yhteistoiminnassa koko kehon palveluksessa.
syöpää on kutsuttu haavaksi, joka ei parane. Yhtäläisyyksiä on paljon. Esimerkiksi uusia verisuonia muodostuu sekä haavojen parantuessa että solujen muuttuessa pahanlaatuisiksi, ja molemmissa tapauksissa tapahtuu muutoksia sähköisiin signaaleihin. Erona on, että syövässä signaalit eivät lopu koskaan.
kuten Langman ja Burr epäilivät 1920—luvulla, syövät voidaan havaita niiden häiriöistä kehon laajalle levinneissä biosähköisissä ominaisuuksissa-häiriöistä, jotka voidaan havaita kaukana kasvaimesta itsestään. Burr osoitti, että jos eläimeen istuttaa kasvaimen, sen kehon sähkösignaalit menevät melkein heti sekaisin.
syöpää aletaan pitää yhä enemmän kommunikaation epäonnistumisena; informaatiokentän vääränä säätelynä, joka ohjaa yksittäisten solujen toimintaa kohti normaalin elävän järjestelmän toimintaa. Yksittäiset solut ”unohtavat” olevansa osa suurempaa kokonaisuutta ja kohtelevat muuta kehoa ympäristönä, jonka voimavaroja voidaan hyödyntää itsensä ruokkimiseen.
tämä on suuri poikkeama valtavirran näkemyksestä, joka vuosikymmenten ajan katsoi, että se mikä muuttaa terveen solun syöpäsoluksi, on yksinkertaisesti geenivaurioiden kasautuminen. Tarinan mukaan mutaatiot johtavat rajattomaan lisääntymiseen.
mutta mitä jos tässä tarinassa olisi muutakin? Michael Levin Tuftsin yliopistosta oli ensimmäisiä, jotka pohtivat, oliko solun kyvyttömyydellä kommunikoida normaalisti kehon kuviointiverkostojen kanssa merkitystä myös syövän käyttäytymiseen.
asiasta on kasvavaa näyttöä. Ihon tai elimen kudoksen poikki pumppaavien ionien synnyttämät sähkökentät lähettävät soluille vihjeitä migraation aloittamiseksi, mikä on myös ratkaisevaa syövän leviämisessä ympäri kehoa. Mustafa Djamgoz Lontoon Imperial College – yliopistosta on tutkinut tietynlaisen natriumkanavan roolia rinta-ja eturauhassyövässä. Nämä lisääntyvät syöpäsoluissa, mikä tekee niistä sähköisesti aktiivisempia kuin elimistön normaalit säätelymekanismit pystyvät hallitsemaan. Tällaiset solut tunkeutuvat sitten muihin kudoksiin ja etäpesäkkeitä.
biosähkösignaalit eivät liity pelkästään etäpesäkkeisiin. Frankie Rawson Nottinghamin yliopistosta on havainnut, että erilainen biologisesti tuotettu virta on tärkeää syövässä, koska se mahdollistaa energian uudelleenohjelmoinnin—toinen keskeinen osa syöpää.
voitaisiinko syöpä kumota säätelemällä solujen välisiä biosähköisiä keskusteluja? Vuonna 2013 Levinin ryhmä osoitti pystyvänsä ehkäisemään tai kääntämään joitakin nuijapäiden kasvaimia käyttämällä lääkkeitä biosähköisten signalointiensa kohdentamiseen. Samat lääkkeet voivat saada syövän syttymään ja sammumaan etäältä hoitamalla ympäristöä, eivät itse soluja. Vuonna 2016 he palauttivat normaalin biosähkösignaalin sammakon nuijapäissä kasvaimilla. Nämä olivat kasvaneet, levinneet ja muodostaneet oman verenkiertonsa, kunnes Levin lisäsi geeniterapian avulla uusia, valoa aktivoivia ionikanavia. Tämä aiheutti solujen pysähtyvän hallitsemattomasti jakamalla-itse asiassa ne palautuivat terveeseen tilaan, kun kasvaimet olivat jo muodostuneet. Niiden sisällä olevat solut yksinkertaisesti lakkasivat olemasta syöpäsoluja.
tämä lähestymistapa olisi ongelmallinen ihmisille, koska geeniterapia on edelleen kokeellista, mutta Levin pyrkii toistamaan tuloksensa muihin vaivoihin hyväksytyillä lääkkeillä.
rikkoutuneen bioelektrisen viestintäjärjestelmän korjaamisella voisi olla vielä dramaattisempia seurauksia. Levin pyrki kumoamaan tuhoisia epämuodostumia nuijapäissä, jotka olivat altistuneet raskaalle tupakoinnille tai alkoholinkäytölle ihmisen tiineyden aikana—molemmat aiheuttavat sikiövaurioita häiritsemällä kehittyvien sikiösolujen lähettämiä bioelektronisia signaaleja. Yhden kahden päivän kylvyn jälkeen laajalti saatavilla olevassa ionikanavahuumeessa nuijapäät järjestyivät uudelleen ja kasvoivat normaalisti. Seurauksena on, että häiriöt, kuten sikiön alkoholioireyhtymä ja muut sikiövauriot, voivat lopulta olla korjattavissa ihmisillä.
laajempi seuraus on edelleen se, että seuraavan vuosikymmenen aikana voisimme oppia tarpeeksi bioelektroniikasta muuttaaksemme soluverkkojen viestintää ja tehdäksemme päätöksiä niiden kasvusta ja kehittymisestä. Uudet laskennalliset mallinnustyökalut ovat tässä merkittävä tekijä. Tutkijat, mukaan lukien Levin, käyttävät niitä nyt kertoakseen heille tarkalleen, mitä kanavia täytyy säätää, jotta saadaan aikaan haluttuja muutoksia suuremmissa virtapiireissä (ja siten fyysisiä muutoksia).
haavan paraneminen näyttää viime kädessä pikemminkin sellaiselta uudistamiselta, josta salamanterit ovat kuuluisia—ja Levin onkin osoittanut useissa kokeissa, että raajat ja hännät voidaan uudistaa biosähköisellä säätelyllä, jopa sammakoiden kaltaisilla lajeilla, jotka eivät ole sille luonnostaan alttiita. Tämä herättää mahdollisuuden tuleviin hoitoihin, jotka sisältävät yksinkertaisesti poistamalla kärsivän ruumiinosan ja kasvattamalla sitä uudelleen.
Kytkimen kääntäminen
on selvää, että on olemassa monia esteitä, jotka on raivattava ennen kuin aloitamme syövän kääntämisen, raajojen leikkaamisen tai elintärkeiden elinten leikkaamisen ja uusien kasvattamisen. Ihmiskokeita on vaikea suorittaa, ja solu on pirullisen monimutkainen ympäristö, jossa on monia muuttujia seurata: kokeet biosähkökentän manipuloinnissa ovat paljastaneet, että on vielä monia aukkoja, jotka on suljettava.
kuitenkin havaitsemme jatkuvasti lisää siitä, kuinka mukana ja yhteydessä soluverkkomme ovat, kaikissa soluissa ja niiden välillä. Viime vuonna Djamgoz havaitsi, että hänen tiettyjen natriumkanaviensa tukahduttaminen lääkkeellä voisi pysäyttää eturauhassyöpää sairastavien rottien etäpesäkkeet. Hän on jo hakenut patenttia käyttääkseen uudelleen jännitesalpaajia metastasoituneina lääkkeinä.
vasta kuluneen vuosikymmenen aikana on tullut selväksi mahdollisuus salakuunnella viestintää, vahvistaa sitä ja keskeyttää se. Seuraavalla vuosikymmenellä voimme edistyä nopeasti, jos saamme päähämme ajatuksen siitä, että kehomme on vähintään yhtä sähköinen kuin kemiallinen tai mekaaninen. Osittain, se on noin menee pidemmälle vain ymmärtää, mitä vaikutuksia biosähköisiä signaaleja on ymmärtää, mitä ne todella tarkoittavat. Laskennalliset mallit, jotka viittaavat siihen, mitä ionikanavan hienosäädöt vastaavat, mitä fyysisiä muutoksia vain tarkentuvat, kun laskenta tehostuu. Ja tutkijat alkavat kuroa umpeen tieteenalojen—biofysiikan, tekniikan ja molekyylibiologian—välisiä kuiluja, jotka ovat jo pitkään tehneet tyhjäksi edistyksen tällä alalla.
unelma, 10 tai 20 vuoden kuluessa, on käyttää näitä oivalluksia profiloimaan biologisten kudosten sähköisiä ominaisuuksia samalla tavalla kuin olemme profiloineet sen geneettisen perustan—eli täydentää ihmisen ”elektromi” ja sitten käyttää sitä murtamaan ihmisen bioelektrinen koodi.
lähes vuosisadan kestäneen välinpitämättömyyden ja pysähtyneisyyden jälkeen biosähkötiede on vihdoin saavuttanut käännekohdan: Olemme valmiita murtamaan biosähköisen koodin.
tämä essee on sovitettu Nestan Tipping Point-palkinnon finalistista. Lue kaikki esseet täältä.