minden mozdulatodat, érzékelésedet és gondolatodat az elektromosság irányítja.
ha ez valószínűtlennek tűnik számodra, akkor valószínűleg azért, mert feltételezed, hogy az elektromosság és az emberi test nem keveredik. De ahogy az elektromos jelek alátámasztják a világ kommunikációs hálózatait, felfedezzük, hogy testünkben is ugyanezt teszik: a bioelektromosság az, ahogyan sejtjeink kommunikálnak egymással.
az érzékenyebb műszereknek, a sejtszintű veleszületett elektromosság mérésére szolgáló jobb technikáknak és a sejtfolyamatok ebből következő mélyebb megértésének köszönhetően sokkal többet tehetünk a kommunikációs jelek értelmezésében, megszakításában vagy átirányításában. Az alkalmazások számtalan, de különösen ígéretes és azonnali rögzítésére a test, ha elromlik, akár azért, mert a trauma, születési rendellenességek, vagy a rák. A bioelektromos beavatkozások által engedélyezett javítások fajtái egyenesen sokkolóak.
a test elektromos
a bioelektromos energia nem az a fajta elektromosság, amely bekapcsolja a lámpákat, amikor megnyomja a kapcsolót. Ez a fajta elektromosság elektronokon alapul:negatív töltésű részecskék áramolnak. Az emberi test-beleértve az agyat is-egy egészen más változaton fut: a többnyire pozitív töltésű ionok mozgása olyan elemekből, mint a kálium, a nátrium és a kalcium.
így terjed minden jel az agyon belül és között, valamint az érzékelés, mozgás és megismerés minden szervén és közvetítőjén belül. Ez alapvető a gondolkodási, beszéd-és járáskészségünk szempontjából. És kiderült, hogy nagy szerepet játszik abban is, hogy a sejtjeink hogyan mondják meg egymásnak, hogy a rendszerek, amelyekben tartózkodnak, egészségesek—e vagy sem.
ez nem mindig volt nyilvánvaló. Louis Langman például megelőzte korát. Az 1920-as években New Yorkban dolgozott, a Bellevue nőgyógyászati szolgálat osztályán lévő betegeknek szokatlan rákdiagnosztikát ajánlott fel: két elektródát, az egyiket a hüvelycsatornába, a másikat a pubisba helyezték. Ezek lehetővé tették számára, hogy megmérje a méhnyak és a ventrális hasfal közötti elektromos feszültséggradienst. Ha Langman jelentős változást észlelt ebben a gradiensben, laparotómiát ajánlott fel a nőnek, hogy ellenőrizze, megalapozott-e gyanúja.
a technika meglepően hatékony volt. A 102 eset közül, amikor az ingadozások jelentős elmozdulást tártak fel a feszültséggradiensben, 95-ben megerősítették, hogy rosszindulatú daganatok vannak. A rák pontos helye változó volt, de gyakran azonosították őket, mielőtt a nő nyilvánvaló tüneteket tapasztalt volna.
Langman és társszerzője, a Yale anatómusa, Harold Saxton Burr, az emberi szövetek elektromos tulajdonságait vizsgáló tudósok egy kis csoportja közé tartoztak. Azt hitték, hogy minden élőlény—az egerektől az embereken át a növényekig-elektromos mezőkkel van formázva és irányítva, amelyeket szabványos voltmérőkkel lehet mérni és feltérképezni.
Langmannak és Burrnak igaza volt, de eredményeiket csak 1949-ben értették meg, amikor Alan Hodgkin és Andrew Huxley felfedezték, hogy az ionok hogyan segítik az elektromos jelek átugrását az idegsejt membránokon. Ennek az áttörésnek, amelyért később Nobel-díjat nyertek, a kutatás robbanását kellett volna kiváltania, ideértve az idegrendszeren kívüli Ionos kommunikáció keresését is.
de alighogy Hodgkin és Huxley felfedezte ezt a mechanizmust, egy újabb áttörés elhomályosította: 1953-ban James Watson és Francis Crick bejelentette, hogy felfedezték a DNS kettős spirálszerkezetét. A biológia egész tudományága gyorsan átszerveződött a gének körül. A bioelektromosság az idegtudományon belül egy hiánypótló aggodalomra ad okot.
nem segített abban, hogy a test sok más típusú sejtjében nem lehetett tanulmányozni az ionáramlást anélkül, hogy megölnék őket, ezáltal kioltva a vizsgált folyamatokat. Egészen 1976—ig, amikor Erwin Neher és Bert Sakmann kifejlesztettek egy eszközt, amely lehetővé tette a tudósok számára, hogy megfigyeljék az egyes ionok sodródását az idegsejtekbe és onnan kifelé. A “patch clamp” technikájukat arra használták, hogy felfedezzék azokat a csatornákat, amelyek lehetővé teszik az ionok áthatolását a sejtmembránokon.
a bőr alatt
a bioelektromos kommunikáció vadászata folytatódott, és a genetika a bioelektromos nemeziséből a legjobb barátjává vált. A tudósok most már klónozhatnak sejteket ioncsatornákkal és anélkül, és megnézhetik, mi történt. Ez gyorsan a bioelektromos jelátvitel újbóli felfedezéséhez vezetett az idegrendszeren kívüli sokféle sejtben.
az egyik legkorábbi a bőrsejtek voltak, amelyek sérülés esetén elektromos mezőt generálnak. Ön is érezheti ezt az úgynevezett sérülést: harapja meg erősen az arcát, majd tegye rá a nyelvét. Érezni fogod a bizsergést. Te érzékeled a feszültséget. A sebáram felhívja a környező szöveteket, olyan segítőket vonzva, mint a gyógyító szerek, a makrofágok a rendetlenség felmosására, és a kollagén szövésű javító sejtek, az úgynevezett fibroblasztok.
de ezt az áramot csak néhány évvel ezelőtt volt nehéz mérni—a törékeny, ultraérzékeny eszközöket, amelyek képesek voltak azonosítani a sejtekbe és a sejtekből áramló ionokat, nem lehetett megzavarni, és nem működnének olyan száraz környezetben, mint a bőr. De 2012-ben Richard Nuccitelli létrehozott egy nem invazív eszközt, amely képes kezelni a bőrt, lehetővé téve az emberi sérülések áramának szoros megfigyelését. Felfedezte, hogy a sérülésnél tetőzik, a seb gyógyulásakor csökken, és a gyógyulás befejeztével észrevehetetlen állapotba tér vissza.
de érdekes módon azt is megállapította, hogy azok az emberek, akiknek sérülési áramai gyengék voltak, lassabban gyógyultak, mint azok, akiknek sérülési áramai “hangosabbak voltak.”Még érdekesebb: a Sebáram erőssége az életkor előrehaladtával csökken, olyan jelet bocsát ki, amely csak fele olyan erős a 65 év felettieknél, mint a 25 év alattiaknál.
ez oda vezetett, hogy a hullám az érdeklődés a testünk természetes villamos energia felgyorsítása vagy javítása sebgyógyulást. Ann Rajnicek az aberdeeni Egyetemen azt találta, hogy ha csatornablokkoló gyógyszereket használt a nátriumionok gátlására, és ezáltal megszakította a sebáram által küldött elektromos jeleket patkányokban, a sebek gyógyulása hosszabb ideig tartott.
lehet az ellenkezője igaz? A bőr természetes elektromos mezőjének erősítésével csökkenthető-e a gyógyulási idő, vagy akár olyan sebek gyógyulását is lehetővé teheti, amelyek egyáltalán ellenállnak a gyógyulásnak?
a legújabb vizsgálatok azt mutatják, hogy a válasz igen. Talán a leginkább szívszaggató típusú sebek súlyos felfekvések, amelyek hónapokig vagy évekig gyógyulnak (ha egyáltalán gyógyulnak), és megtámadják a szöveteket, az izmokat és a csontokat mélyen a bőr alatt. Két újabb metaanalízis arra a következtetésre jutott, hogy a természetes sebáram elektromos stimulációval történő felerősítése megakadályozta mindegyik rosszabbodását, sőt a legrosszabbakat is teljesen meggyógyította. Az elektromos stimuláció majdnem megduplázza a gyógyulást. Hasonlóan érdekes eredményeket értek el a nem gyógyuló diabéteszes sebek esetében is-amelyek a végtagok amputációjához vezetnek, ami általában néhány éven belül halálhoz vezet.
a hatás nem korlátozódik a bőrre. Az elmúlt évtizedekben egyre több bizonyíték utal arra, hogy ugyanaz a fajta elektromos stimuláció felgyorsíthatja a csonttörések gyógyulását—ami releváns lehet a csontritkulás kezelésében vagy akár megelőzésében. Még egyre több bizonyíték van arra, hogy ugyanazokat a celluláris elektromos mechanizmusokat lehet felhasználni a gerinc sérüléseinek kijavítására.
a bioelektromosság jövője
akkor miért nem használ elektromos stimulációt minden sebész minden sebben?
egy nemrégiben készült tanulmány megállapította, hogy az elektromosság biológiában való jelentősége még mindig túl újszerű és ellentmondásos ahhoz, hogy széles körben elfogadják. És még akkor is, ha a klinikusok hallottak róla, nem tudják, hogyan kell használni: egyetlen meglévő irányelv sem határozza meg a jelenlegi típust (közvetlen? felváltva?) vagy a paramétereket (mennyi ideig kell alkalmazni? milyen erősnek kell lennie?). Még az eszközök sem szabványosítottak. Nem csoda, hogy egyértelmű ajánlások hiányában a terapeuták inkább antibiotikumokhoz folyamodnak, mintsem felelősséget vállalnak e megfélemlítő lehetőségekért.
ezenkívül számos klinikai vizsgálatban a kutatók panaszkodnak, hogy a készlet elektródáival és áramforrásaival túl nehézkes, korlátozza a természetes mozgást, és akadályozza a betegek megfelelőségét. De ez nem lehet probléma sokkal hosszabb ideig. Számos laboratórium és magáncég dolgozik bioelektromos sebkötözéseken—poliészteren vagy más, ezüsttel impregnált szubsztrátokon és más biológiailag aktív anyagokon, amelyeket a “sebfolyadék” aktivál és felerősíti a természetes sebáramot. A jövőbeli verziók erősebb töltést hordozhatnak.
a múlt év végén a Wisconsini Egyetem és a Huazhong Egyetem közös amerikai-kínai csapata kifejlesztett egy hordható nanogenerátort, amelyet be lehet csúsztatni a kötszer kialakításába, hogy a viselő mindennapi mozgásaiból növelje az elektromos mezőt. Azok a patkányok, amelyek ezt a kötést viselték, átlagosan három napot vettek igénybe; azok, akik nem vettek igénybe 12-et.
lehetséges, hogy elektromos stimuláció nélkül is növelhető a sebáram. Ez fontos olyan sérülések esetén, ahol nem szükséges villamos energiát vagy kötést alkalmazni, például szemsérüléseket. Min Zhao a Kaliforniai Egyetemen, Davis, kimutatta, hogy a szaruhártya szakadásai gyorsabban gyógyulnak, ha bizonyos ioncsatornákat egyszerű szemcseppekkel manipulálnak a sebáramok méretének növelése érdekében—bioelektromosság áram nélkül.
a kapcsolat a rák és az elektromosság között
ha az orvosok szívét és elméjét meg lehet nyerni, akkor a sebgyógyulás valószínűleg a bioelektromos kutatás legközvetlenebb klinikai alkalmazása. De amit a következő 10 évben várhatunk, az nagyobb tisztánlátás arról, hogy az egyes sejtek hogyan használják az elektromos kommunikációt a test egészének szolgálatában.
a rákot olyan sebnek nevezik, amely nem gyógyul. Sok hasonlóság van. Például új erek alakulnak ki mind a sebek gyógyulásakor, mind a sejtek rosszindulatúvá válásakor, és mindkét esetben változások vannak az elektromos jelekben. A különbség az, hogy a rákban a jelek soha nem állnak meg.
amint Langman és Burr az 1920—as években gyanították, a rákos megbetegedések kimutathatók a test széles körben elterjedt bioelektromos tulajdonságainak megzavarásával-a tumortól távol eső helyeken észlelhető zavarok. Burr megmutatta, hogy ha daganatot ültetünk be egy állatba, a test elektromos jelzése szinte azonnal megbolondul.
a rákot egyre inkább a kommunikáció kudarcának tekintik; az információs terület téves szabályozása, amely az egyes sejtek tevékenységét a normális élő rendszer részeként működteti. Az egyes sejtek “elfelejtik”, hogy egy nagyobb egész részei, és a test többi részét olyan környezetként kezelik, amelynek erőforrásait ki lehet használni önmaguk táplálására.
ez nagy eltérés a mainstream nézettől, amely évtizedek óta azt tartotta, hogy az egészséges sejt rákos sejtté válik, egyszerűen a genetikai károsodás felhalmozódása. A mutációk, a történet ment, korlátlan proliferációhoz vezetnek.
de mi lenne, ha több lenne ebben a történetben? Michael Levin a Tufts Egyetemen volt a legkorábbi, aki azon tűnődött, vajon a sejt képtelen-e normálisan kommunikálni a test mintázó hálózataival, szintén releváns-e a rák viselkedésében.
egyre több bizonyíték van erre. A bőrön vagy a szervszöveten keresztül pumpáló ionok által generált elektromos mezők jeleket küldenek a sejteknek a migráció megkezdéséhez, ami szintén döntő fontosságú a rák terjedésében a testben. Mustafa Djamgoz a londoni Imperial College-ban egy bizonyos típusú nátriumcsatorna szerepét vizsgálta a mell-és prosztatarákban. Ezek szaporodnak a rákos sejtekben, elektromosabban aktívabbá téve őket, mint amennyit a test normál kontrollmechanizmusai képesek kezelni. Az ilyen sejtek ezután behatolnak más szövetekbe, és áttétet képeznek.
a bioelektromos jelek nem csak metasztázisban vesznek részt. Frankie Rawson a Nottinghami Egyetemen felfedezte, hogy egy másfajta biológiailag generált áram fontos a rákban azáltal, hogy lehetővé teszi az energia újraprogramozását—ez a rák másik kulcsfontosságú aspektusa.
visszafordítható-e a rák a sejtek közötti bioelektromos beszélgetések szabályozásával? 2013-ban Levin csoportja kimutatta, hogy megakadályozhatják vagy visszafordíthatják az ebihalak egyes daganatait azáltal, hogy gyógyszereket használnak a bioelektromos jelzésük célzására. Ugyanezek a gyógyszerek távolról is be-és kikapcsolhatják a rákot, ha a környezetet kezelik, nem magukat a sejteket. 2016-ban helyreállították a normál bioelektromos jelzést a daganatos béka ebihalakban. Ezek növekedtek, terjedtek és saját vérellátást alakítottak ki, mígnem Levin génterápiával új, fényaktivált ioncsatornákat adott hozzá. Ez okozta a sejtek kontrollálatlan osztódását—valójában egészséges állapotba kerültek, miután a daganatok már kialakultak. A bennük lévő sejtek egyszerűen megszűntek rákos sejtek lenni.
ez a megközelítés problematikus lenne az emberekben, mivel a génterápia továbbra is kísérleti jellegű, de Levin azon dolgozik, hogy megismételje eredményeit más betegségekre jóváhagyott gyógyszerekkel.
egy törött bioelektromos kommunikációs rendszer kijavítása még drámaibb eredményeket hozhat. Levin célja az volt, hogy megfordítsa az ebihalak katasztrofális deformitásait, amelyeket az emberi terhesség alatt erős dohányzásnak vagy alkoholfogyasztásnak vetettek alá—mindkettő embrionális hibákat okoz azáltal, hogy zavarja a magzati sejtek fejlesztése által küldött bioelektromos jeleket. Egy széles körben elérhető ioncsatornás gyógyszerben végzett kétnapos fürdés után az ebihalak átrendeződtek,és a szokásos módon nőttek. A következmény az, hogy az olyan rendellenességek, mint a magzati alkohol szindróma és más születési rendellenességek végül visszafordíthatók az emberekben.
a tágabb következtetés még mindig az, hogy a következő évtizedben eleget tanulhatunk a bioelektromosságról ahhoz, hogy megváltoztassuk a sejthálózatok kommunikációját és döntéseket hozzunk a növekedésükről és fejlődésükről. Az új számítási modellező eszközök itt fontos tényezők lesznek. A kutatók, köztük Levin, most ezeket használják arra, hogy pontosan megmondják nekik, mely csatornákat kell módosítani ahhoz, hogy a nagyobb elektromos áramkörökben (és így a fizikai változásokban) kívánt változásokat hozzanak létre.
végső soron a sebgyógyulás inkább úgy néz ki, mint az a fajta regeneráció, amelyről a szalamandrák híresek—sőt, Levin számos kísérletben bizonyította, hogy a végtagok és a farok regenerálhatók bioelektromos csípéssel, még olyan fajokban is, mint a békák, amelyek természetesen nem hajlamosak rá. Ez felveti a jövőbeli kezelések kilátásait, amelyek egyszerűen eltávolítják az érintett testrészt és megújítják azt.
a kapcsoló megfordítása
nyilvánvaló, hogy nagyon sok akadályt kell elhárítani, mielőtt elkezdjük a rákot visszafordítani, levágni a végtagokat, vagy kivágni a létfontosságú szerveket és újakat növeszteni. Az emberi kísérleteket nehéz lesz elvégezni, és a sejt egy ördögien bonyolult környezet, sok változóval, amelyeket nyomon kell követni: a bioelektromos mező manipulálásával végzett kísérletek azt mutatták, hogy még mindig sok hiányosság van.
Mindazonáltal egyre többet tudunk meg arról, hogy a cellás kommunikációs hálózataink mennyire érintettek és kapcsolódnak az összes cellában és az összes cellában. Tavaly Djamgoz megállapította, hogy bizonyos nátriumcsatornáinak egy gyógyszerrel történő elnyomása megállíthatja a prosztatarákos patkányok metasztázisát. Már szabadalmat nyújtott be a feszültségfüggő nátriumcsatorna-blokkolók áttétellenes gyógyszerként történő újrafelhasználására.
ami csak az elmúlt évtizedben vált világossá, az a lehetőség, hogy a kommunikációba bekapcsolódjunk, felerősítsük és megszakítsuk. A következő évtizedben gyors haladást érhetünk el, ha el tudjuk képzelni, hogy testünk legalább annyira Elektromos, mint kémiai vagy mechanikus. Ez részben arról szól, hogy túl kell lépni azon, hogy megértsük, milyen hatással vannak a bioelektromos jelek, hogy megértsük, mit jelentenek valójában. Számítási modellek, amelyek azt sugallják, hogy melyik ioncsatorna-módosítás felel meg annak, hogy a fizikai változások csak pontosabbá válnak, amikor a számítástechnika erősebbé válik. A kutatók pedig kezdik áthidalni a szakadékokat a tudományágak között-biofizika, mérnöki munka, vagy molekuláris biológia—amelyek már régóta frusztráltak ezen a területen.
az álom 10 vagy 20 éven belül az, hogy ezeket a felismeréseket felhasználjuk a biológiai szövetek elektromos tulajdonságainak profilozására ugyanúgy, ahogyan a genetikai alapját profiloztuk—vagyis az emberi “elektrom” befejezéséhez, majd felhasználásához feltörni az emberi bioelektromos kódot.
majdnem egy évszázados elhanyagolás és stagnálás után a bioelektromosság tudománya végül elérte a fordulópontot: Készen állunk feltörni a bioelektromos kódot.
ezt az esszét A Nesta fordulópont-díj döntősétől adaptálták. Olvassa el az összes esszét itt.