Tous vos mouvements, perceptions et pensées sont contrôlés par l’électricité.
Si cela vous semble peu probable, c’est probablement parce que vous supposez que l’électricité et le corps humain ne se mélangent pas. Mais tout comme les signaux électriques sous-tendent les réseaux de communication du monde, nous découvrons qu’ils font la même chose dans notre corps: la bioélectricité est la façon dont nos cellules communiquent entre elles.
Grâce à des instruments plus sensibles, à de meilleures techniques pour mesurer notre électricité innée au niveau cellulaire et à une compréhension plus approfondie de ces processus cellulaires, nous pouvons maintenant faire beaucoup plus pour interpréter, interrompre ou rediriger ces signaux de communication. Les applications sont innombrables, mais surtout prometteuses et immédiates pour réparer le corps quand ça va mal, que ce soit à cause d’un traumatisme, de malformations congénitales ou d’un cancer. Les types de corrections permises par les interventions bioélectriques sont carrément choquantes.
Le corps électrique
La bioélectricité n’est pas le type d’électricité qui allume vos lumières lorsque vous actionnez l’interrupteur. Ce type d’électricité est basé sur des électrons: des particules chargées négativement circulant dans un courant. Le corps humain — y compris le cerveau – fonctionne sur une version très différente: les mouvements d’ions principalement chargés positivement d’éléments comme le potassium, le sodium et le calcium.
C’est ainsi que tous les signaux voyagent à l’intérieur et entre le cerveau et chaque organe et agent de perception, de mouvement et de cognition. C’est fondamental pour notre capacité à penser, à parler et à marcher. Et il s’avère que cela joue également un grand rôle dans la façon dont nos cellules se disent que les systèmes dans lesquels elles résident sont en bonne santé — ou non.
Cela n’a pas toujours été évident. Louis Langman, par exemple, était en avance sur son temps. Travaillant dans les années 1920 à New York, il offre aux patients de son service au Service gynécologique de Bellevue un diagnostic inhabituel du cancer: deux électrodes, l’une placée dans le canal vaginal et l’autre sur le pubis. Ceux-ci lui ont permis de mesurer le gradient de tension électrique entre le col de l’utérus et la paroi abdominale ventrale. Si Langman détectait un changement marqué de ce gradient, il offrait à la femme une laparotomie pour vérifier si ses soupçons étaient justifiés.
La technique était étonnamment efficace. Sur les 102 cas dans lesquels les fluctuations ont révélé un décalage significatif du gradient de tension, 95 ont été confirmés comme présentant des tumeurs malignes. Les emplacements exacts du cancer variaient, mais ils étaient souvent identifiés avant que la femme ne présente des symptômes évidents.
Langman et son co-auteur, l’anatomiste de Yale Harold Saxton Burr, faisaient partie d’une petite clique de scientifiques qui étudiaient les propriétés électriques des tissus humains. Ils croyaient que tous les êtres vivants — des souris aux hommes en passant par les plantes — sont moulés et contrôlés par des champs électriques qui peuvent être mesurés et cartographiés avec des voltmètres standard.
Langman et Burr avaient raison, mais leurs résultats étaient mal compris jusqu’en 1949, lorsque Alan Hodgkin et Andrew Huxley ont découvert comment les ions aident les signaux électriques à traverser les membranes des cellules nerveuses. Cette percée, pour laquelle ils ont ensuite remporté un prix Nobel, aurait dû déclencher une explosion de recherches, y compris la recherche d’une communication ionique au-delà du système nerveux.
Mais à peine Hodgkin et Huxley avaient découvert ce mécanisme qu’il était éclipsé par une autre percée: En 1953, James Watson et Francis Crick annonçaient avoir découvert la structure à double hélice de l’ADN. Toute la discipline de la biologie s’est rapidement réorganisée autour des gènes. La bioélectricité a été reléguée au rang de préoccupation de niche au sein des neurosciences.
Cela n’a pas aidé qu’il n’y ait aucun moyen d’étudier les flux d’ions dans de nombreux autres types de cellules du corps sans les tuer, éteignant ainsi les processus mêmes étudiés. C’est—à-dire jusqu’en 1976, lorsque Erwin Neher et Bert Sakmann ont développé un outil pour le faire – permettant aux scientifiques de regarder des ions individuels dérivant dans et hors des neurones. Ils ont utilisé leur technique de « patch clamp » pour découvrir les canaux qui permettent aux ions de pénétrer dans les membranes cellulaires.
Sous la peau
La chasse à la communication bioélectrique était lancée, et la génétique est passée de l’ennemi juré de la bioélectricité à son meilleur ami. Les scientifiques pourraient maintenant cloner des cellules avec et sans canaux ioniques particuliers et voir ce qui s’est passé. Cela a rapidement conduit à la redécouverte de la signalisation bioélectrique dans de nombreux types de cellules au-delà du système nerveux.
L’une des premières était celle des cellules de la peau, qui génèrent un champ électrique lorsqu’elles sont blessées. Vous pouvez sentir cette soi-disant blessure vous-même: mordre la joue fort, puis mettre votre langue dessus. Vous sentirez un picotement. C’est toi qui sens la tension. Le courant de la plaie appelle les tissus environnants, attirant des aides telles que des agents cicatrisants, des macrophages pour nettoyer le désordre et des cellules de réparation tissées au collagène appelées fibroblastes.
Mais ce courant était difficile à mesurer jusqu’à il y a quelques années à peine — les dispositifs fragiles et ultra-sensibles capables d’identifier les ions entrant et sortant des cellules ne pouvaient pas être perturbés et ne fonctionnaient pas sur un environnement sec comme la peau. Mais en 2012, Richard Nuccitelli a créé un dispositif non invasif capable de traiter la peau, permettant de surveiller de près les courants de blessures humaines. Il a découvert qu’elle atteint son apogée à la blessure, diminue à mesure que la plaie guérit et redevient indétectable lorsque la guérison est terminée.
Mais de manière intéressante, il a également constaté que les personnes dont le courant de blessure était faible guérissaient plus lentement que les personnes dont le courant de blessure était « plus fort. »Plus intéressant encore: la force du courant de la plaie diminue avec l’âge, émettant un signal qui n’est que moitié moins fort chez les plus de 65 ans que chez les moins de 25 ans.
Cela a conduit à un regain d’intérêt pour l’utilisation de l’électricité naturelle de notre corps pour accélérer ou améliorer la cicatrisation des plaies. Ann Rajnicek de l’Université d’Aberdeen a découvert que si elle utilisait des médicaments bloquant les canaux pour inhiber les ions sodium et interrompre ainsi les signaux électriques envoyés par le courant de la plaie chez les rats, leurs plaies prenaient plus de temps à guérir.
Le contraire pourrait-il être vrai? L’amplification du champ électrique naturel de la peau pourrait-elle réduire les temps de cicatrisation, voire permettre la cicatrisation de plaies extrêmement résistantes à la cicatrisation?
Des essais récents indiquent que la réponse est oui. Les plaies les plus douloureuses sont peut-être les plaies de lit sévères, qui peuvent prendre des mois à des années pour guérir (si elles guérissent du tout) et attaquer les tissus, les muscles et les os profondément sous la peau. Deux méta-analyses récentes ont conclu que l’amplification du courant naturel de la plaie par stimulation électrique les empêchait toutes de s’aggraver et guérissait même complètement certaines des pires. La stimulation électrique double presque leur guérison. Des résultats également intrigants ont été obtenus pour les plaies diabétiques non cicatrisantes — celles qui conduisent à l’amputation des membres, ce qui conduit généralement à la mort en quelques années.
L’effet n’est pas non plus limité à la peau. Un nombre croissant de preuves au cours des dernières décennies suggère que le même type de stimulation électrique peut accélérer la guérison des fractures osseuses — ce qui peut être pertinent pour traiter ou même prévenir l’ostéoporose. Il existe même de plus en plus de preuves que les mêmes mécanismes électriques cellulaires pourraient être exploités pour réparer les lésions de la colonne vertébrale.
L’avenir de la bioélectricité
Alors pourquoi la stimulation électrique n’est-elle pas utilisée par tous les chirurgiens sur chaque plaie?
Une étude récente a révélé que l’idée que l’électricité soit pertinente en biologie est encore trop nouvelle et contre-intuitive pour être largement acceptée. Et même lorsque les cliniciens en ont entendu parler, ils ne savent pas comment l’utiliser : Aucune directive existante ne précise non plus le type actuel (direct? en alternance ?) ou les paramètres (combien de temps doit-il être appliqué ? quelle devrait être sa force?). Même les outils ne sont pas standardisés. Il n’est pas étonnant qu’en l’absence de recommandations claires, les thérapeutes préfèrent recourir aux antibiotiques plutôt que d’assumer la responsabilité de cet ensemble intimidant d’options.
De plus, dans de nombreux essais cliniques, les chercheurs se plaignent que le kit, avec ses électrodes et ses sources d’alimentation, est trop encombrant, limite les mouvements naturels et entrave l’observance du patient. Mais cela peut ne pas être un problème pour beaucoup plus longtemps. De nombreux laboratoires et entreprises privées travaillent maintenant sur des pansements bioélectriques – polyester ou autres substrats imprégnés d’argent et d’autres agents biologiquement actifs activés par le « fluide de la plaie » et amplifiant le courant naturel de la plaie. Les versions futures peuvent porter une charge plus puissante.
À la fin de l’année dernière, une équipe conjointe américano-chinoise de l’Université du Wisconsin et de l’Université Huazhong a mis au point un nanogénérateur portable pouvant être glissé dans la conception du bandage pour générer le champ électrique croissant des mouvements quotidiens du porteur. Les rats qui portaient ce bandage ont mis en moyenne trois jours à guérir; ceux qui n’en avaient pas pris 12.
Il peut même être possible d’augmenter le courant de la plaie sans stimulation électrique. Ceci est important pour les blessures où vous ne voulez pas nécessairement appliquer de l’électricité ou un pansement, comme les blessures aux yeux. Min Zhao de l’Université de Californie à Davis a montré que les déchirures de la cornée guérissent plus rapidement lorsque certains canaux ioniques sont manipulés avec de simples gouttes oculaires pour augmenter la taille des courants de la plaie — bioélectricité sans électricité.
Le lien entre le cancer et l’électricité
Si le cœur et l’esprit des médecins peuvent être conquis, la cicatrisation des plaies est probablement l’application clinique la plus immédiate de la recherche bioélectrique. Mais ce que nous pouvons nous attendre à voir au cours des 10 prochaines années, c’est une plus grande clarté sur la façon dont les cellules individuelles utilisent la communication électrique pour coopérer au service du corps dans son ensemble.
Le cancer a été appelé une plaie qui ne guérit pas. Il y a beaucoup de similitudes. Par exemple, de nouveaux vaisseaux sanguins se forment à la fois à mesure que les plaies guérissent et que les cellules deviennent malignes, et il y a des changements aux signaux électriques dans les deux cas. La différence est que dans le cancer, les signaux ne s’arrêtent jamais.
Comme Langman et Burr le soupçonnaient dans les années 1920, les cancers peuvent être détectés par leur perturbation des propriétés bioélectriques largement distribuées du corps — des perturbations détectables à des endroits éloignés de la tumeur elle-même. Burr a montré que si vous implantez une tumeur dans un animal, la signalisation électrique de son corps se détraquerait presque immédiatement.
Le cancer commence à être considéré de plus en plus comme un échec de la communication; une mauvaise régulation du champ de l’information qui orchestre les activités des cellules individuelles pour fonctionner dans le cadre d’un système vivant normal. Les cellules individuelles « oublient » qu’elles font partie d’un ensemble plus vaste et traitent le reste du corps comme un environnement dont les ressources peuvent être exploitées pour se nourrir.
C’est un grand écart par rapport à la vision dominante, qui a soutenu pendant des décennies que ce qui transforme une cellule saine en cellule cancéreuse est simplement l’accumulation de dommages génétiques. Les mutations, a raconté l’histoire, conduisent à une prolifération illimitée.
Mais s’il y avait plus à cette histoire? Michael Levin de l’Université Tufts a été parmi les premiers à se demander si l’incapacité d’une cellule à communiquer normalement avec les réseaux de structuration du corps était également pertinente pour le comportement du cancer.
Il y a de plus en plus de preuves que c’est le cas. Les champs électriques générés par le pompage des ions à travers les tissus cutanés ou organiques envoient des signaux aux cellules pour commencer la migration, ce qui est également crucial dans la propagation du cancer dans le corps. Mustafa Djamgoz de l’Imperial College de Londres a étudié le rôle d’un type particulier de canal sodique dans le cancer du sein et de la prostate. Ceux-ci prolifèrent dans les cellules cancéreuses, les rendant plus actives électriquement que les mécanismes de contrôle normaux du corps ne peuvent le gérer. Ces cellules envahissent alors d’autres tissus et métastasent.
Ce ne sont pas seulement les métastases dans lesquelles les signaux bioélectriques sont impliqués. Frankie Rawson de l’Université de Nottingham a découvert qu’un autre type de courant généré biologiquement est important dans le cancer en permettant la reprogrammation de l’énergie — un autre aspect clé du cancer.
Le cancer pourrait-il être inversé en contrôlant les conversations bioélectriques entre les cellules? En 2013, le groupe de Levin a montré qu’ils pouvaient prévenir ou inverser certaines tumeurs chez les têtards en utilisant des médicaments pour cibler leur signalisation bioélectrique. Les mêmes médicaments pourraient allumer et éteindre le cancer à distance, en traitant l’environnement, et non les cellules elles-mêmes. En 2016, ils ont restauré la signalisation bioélectrique normale chez les têtards de grenouilles atteints de tumeurs. Ceux-ci avaient grandi, se sont répandus et ont formé leur propre approvisionnement en sang, jusqu’à ce que Levin ajoute de nouveaux canaux ioniques activés par la lumière avec une thérapie génique. Cela a provoqué l’arrêt incontrôlable de la division des cellules — en fait, elles sont revenues à un état sain après la formation des tumeurs. Les cellules à l’intérieur d’eux ont simplement cessé d’être des cellules cancéreuses.
Cette approche serait problématique chez l’homme, car la thérapie génique reste expérimentale, mais Levin travaille à répéter ses résultats avec des médicaments approuvés pour d’autres affections.
Réparer un système de communication bioélectrique cassé pourrait avoir des résultats encore plus spectaculaires. Levin visait à inverser les déformations catastrophiques chez les têtards qui avaient été soumis à l’équivalent d’une forte consommation de tabac ou d’alcool pendant la gestation humaine — qui provoquent toutes deux des défauts embryonnaires en interférant avec les signaux bioélectriques envoyés par les cellules fœtales en développement. Après un seul bain de deux jours dans un médicament à canal ionique largement disponible, les têtards se sont réarrangés et ont grandi normalement. L’implication est que des troubles tels que le syndrome d’alcoolisme fœtal et d’autres malformations congénitales pourraient éventuellement être réversibles chez l’homme.
L’implication plus large est encore qu’au cours de la prochaine décennie, nous pourrions en apprendre suffisamment sur la bioélectricité pour changer la façon dont les réseaux cellulaires communiquent et prennent des décisions sur leur croissance et leur développement. Les nouveaux outils de modélisation informatique seront un facteur majeur ici. Des chercheurs, dont Levin, les utilisent maintenant pour leur dire exactement quels canaux doivent être modifiés pour produire les changements souhaités dans les circuits électriques plus grands (et donc les changements physiques).
En fin de compte, la cicatrisation des plaies ressemble plutôt au type de régénération pour lequel les salamandres sont célèbres — et en effet, Levin a démontré dans plusieurs expériences que les membres et les queues peuvent être régénérés par des ajustements bioélectriques, même chez des espèces comme les grenouilles qui n’y sont pas naturellement prédisposées. Cela soulève la perspective de traitements futurs qui impliquent simplement de retirer une partie du corps affectée et de la repousser.
Retournement de l’interrupteur
Il est clair qu’il y a beaucoup d’obstacles à surmonter avant de commencer à inverser le cancer, à découper des membres ou à découper des organes vitaux et à en faire pousser de nouveaux. Les essais humains seront difficiles à mener, et une cellule est un environnement diablement compliqué avec de nombreuses variables à suivre: des expériences de manipulation du champ bioélectrique ont révélé qu’il restait encore de nombreuses lacunes à combler.
Néanmoins, nous continuons à en apprendre davantage sur la manière dont nos réseaux de communication cellulaires sont impliqués et connectés, dans et entre toutes les cellules. L’année dernière, Djamgoz a découvert que la suppression de ses canaux sodiques particuliers avec un médicament pouvait arrêter les métastases chez les rats atteints d’un cancer de la prostate. Il a déjà déposé un brevet pour réutiliser les bloqueurs de canaux sodiques à déclenchement en tension comme médicaments anti-métastatiques.
Ce qui n’est devenu clair qu’au cours de la dernière décennie, c’est la possibilité d’exploiter la communication, de l’amplifier et de l’interrompre. Au cours de la prochaine décennie, nous pourrons faire des progrès rapides si nous parvenons à comprendre que nos corps sont au moins aussi électriques que chimiques ou mécaniques. En partie, il s’agit d’aller au-delà de la simple compréhension des effets des signaux bioélectriques pour comprendre ce qu’ils signifient réellement. Des modèles de calcul qui suggèrent quels réglages de canal ionique correspondent aux changements physiques qui ne feront que devenir plus précis à mesure que le calcul deviendra plus puissant. Et les chercheurs commencent à combler les écarts entre les disciplines — biophysique, ingénierie ou biologie moléculaire — qui ont longtemps entravé les progrès dans ce domaine.
Le rêve, d’ici 10 ou 20 ans, est d’utiliser ces connaissances pour profiler les propriétés électriques des tissus biologiques de la même manière que nous avons profilé sa base génétique — c’est-à-dire compléter l' »électrome » humain et ensuite l’utiliser pour déchiffrer le code bioélectrique humain.
Après presque un siècle de négligence et de stagnation, la science de la bioélectricité a enfin atteint un point de bascule: Nous sommes prêts à déchiffrer le code bioélectrique maintenant.
Cet essai a été adapté d’un finaliste du prix Tipping Point de Nesta. Lisez tous les essais ici.