Ogni tuo movimento, percezione e pensiero sono controllati dall’elettricità.
Se questo ti sembra improbabile, è probabilmente perché assumi l’elettricità e il corpo umano non si mescola. Ma proprio come i segnali elettrici sono alla base delle reti di comunicazione del mondo, stiamo scoprendo che fanno lo stesso nei nostri corpi: la bioelettricità è il modo in cui le nostre cellule comunicano tra loro.
Grazie a strumenti più sensibili, tecniche migliori per misurare la nostra innata elettricità a livello cellulare e una conseguente comprensione più profonda di quei processi cellulari, ora possiamo fare molto di più per interpretare, interrompere o reindirizzare quei segnali di comunicazione. Le applicazioni sono una miriade, ma soprattutto promettente e immediato per il fissaggio del corpo quando va male, sia a causa di traumi, difetti alla nascita, o il cancro. I tipi di correzioni abilitate da interventi bioelettrici sono decisamente scioccante.
Il corpo elettrico
La bioelettricità non è il tipo di elettricità che accende le luci quando si preme l’interruttore. Questo tipo di elettricità si basa sugli elettroni: particelle caricate negativamente che scorrono in una corrente. Il corpo umano—compreso il cervello—funziona su una versione molto diversa: i movimenti di ioni per lo più caricati positivamente di elementi come potassio, sodio e calcio.
Questo è il modo in cui tutti i segnali viaggiano all’interno e tra il cervello e ogni organo e agente di percezione, movimento e cognizione. È fondamentale per la nostra capacità di pensare, parlare e camminare. E si scopre, gioca anche un ruolo importante nel modo in cui le nostre cellule si dicono l’un l’altro i sistemi in cui risiedono sono sani—o no.
Questo non è sempre stato ovvio. Louis Langman, per esempio, era in anticipo sui tempi. Lavorando nel 1920 a New York City, ha offerto ai pazienti del suo reparto presso il Bellevue Gynecological Service un’insolita diagnostica per il cancro: due elettrodi, uno posizionato nel canale vaginale e un altro sul pube. Questi gli hanno permesso di misurare il gradiente di tensione elettrica tra la cervice e la parete addominale ventrale. Se Langman ha rilevato un marcato cambiamento in questo gradiente, ha offerto alla donna una laparotomia per verificare se i suoi sospetti erano giustificati.
La tecnica è stata sorprendentemente efficace. Dei 102 casi in cui le fluttuazioni hanno rivelato uno spostamento significativo del gradiente di tensione, 95 sono stati confermati per avere tumori maligni. Le posizioni esatte del cancro variavano, ma sono stati spesso identificati prima che la donna aveva sperimentato sintomi evidenti.
Langman e il suo coautore, l’anatomista di Yale Harold Saxton Burr, erano tra una piccola cricca di scienziati che studiavano le proprietà elettriche del tessuto umano. Credevano che tutti gli esseri viventi—dai topi agli uomini alle piante—fossero modellati e controllati da campi elettrici che possono essere misurati e mappati con voltmetri standard.
Langman e Burr erano corretti, ma le loro scoperte erano poco conosciute fino al 1949 quando Alan Hodgkin e Andrew Huxley scoprirono come gli ioni aiutano i segnali elettrici a saltare attraverso le membrane delle cellule nervose. Quella svolta, per la quale in seguito hanno vinto un premio Nobel, avrebbe dovuto scatenare un’esplosione di ricerca, inclusa la ricerca di comunicazioni ioniche oltre il sistema nervoso.
Ma non appena Hodgkin e Huxley scoprirono questo meccanismo, fu eclissato da un’altra svolta: nel 1953, James Watson e Francis Crick annunciarono di aver scoperto la struttura a doppia elica del DNA. L’intera disciplina della biologia si riorganizzò rapidamente attorno ai geni. La bioelettricità è stata relegata a una preoccupazione di nicchia all’interno delle neuroscienze.
Non ha aiutato il fatto che non ci fosse modo di studiare i flussi ionici in molti altri tipi di cellule nel corpo senza ucciderli, estinguendo così gli stessi processi studiati. Cioè, fino al 1976, quando Erwin Neher e Bert Sakmann hanno sviluppato uno strumento per fare proprio questo—consentendo agli scienziati di guardare singoli ioni alla deriva dentro e fuori dai neuroni. Hanno usato la loro tecnica “patch clamp” per scoprire i canali che consentono agli ioni di permeare le membrane cellulari.
Sotto la pelle
La caccia alla comunicazione bioelettrica era iniziata, e la genetica passò dall’essere la nemesi della bioelettricità al suo migliore amico. Gli scienziati potrebbero ora clonare le cellule con e senza particolari canali ionici e vedere cosa è successo. Ciò ha portato rapidamente alla riscoperta della segnalazione bioelettrica in molti tipi di cellule oltre il sistema nervoso.
Uno dei primi era cellule della pelle, che generano un campo elettrico quando feriti. Puoi sentire questa cosiddetta corrente di lesioni da solo: morditi forte la guancia e poi metti la lingua su di essa. Sentirai un formicolio. Sei tu che percepisci la tensione. La corrente della ferita chiama il tessuto circostante, attirando aiutanti come agenti curativi, macrofagi per spazzare via il disordine e cellule di riparazione di collagene chiamate fibroblasti.
Ma questa corrente era difficile da misurare fino a pochi anni fa—i dispositivi fragili e ultra-sensibili che erano in grado di identificare gli ioni che fluivano dentro e fuori dalle cellule non potevano essere disturbati e non funzionavano in un ambiente asciutto come la pelle. Ma nel 2012 Richard Nuccitelli ha creato un dispositivo non invasivo in grado di trattare la pelle, consentendo di monitorare attentamente le correnti di lesioni umane. Ha scoperto che picchi a lesioni, diminuisce come la ferita guarisce, e ritorna a inosservabile quando la guarigione è completa.
Ma è interessante notare che le persone la cui corrente di lesione era debole guarivano più lentamente delle persone la cui corrente di lesione era “più forte.”Ancora più interessante: la forza della corrente della ferita diminuisce con l’età, emettendo un segnale che è solo la metà forte negli over-65 come negli under-25.
Ciò ha portato ad un aumento di interesse nell’uso dell’elettricità naturale del nostro corpo per accelerare o migliorare la guarigione delle ferite. Ann Rajnicek presso l’Università di Aberdeen ha scoperto che se ha usato farmaci che bloccano il canale per inibire gli ioni di sodio, e quindi interrompere i segnali elettrici inviati dalla corrente della ferita nei ratti, le loro ferite hanno richiesto più tempo per guarire.
Potrebbe essere vero il contrario? Potrebbe amplificare il campo elettrico naturale della pelle diminuire i tempi di guarigione o addirittura consentire la guarigione di ferite estremamente resistenti alla guarigione?
Prove recenti indicano che la risposta è sì. Forse i tipi più strazianti di ferite sono gravi piaghe da decubito, che possono richiedere mesi o anni per guarire (se guariscono del tutto) e attaccare tessuti, muscoli e ossa in profondità sotto la pelle. Due recenti meta-analisi hanno concluso che amplificare la corrente naturale della ferita con la stimolazione elettrica ha impedito a tutti di peggiorare e persino di guarire completamente alcuni dei peggiori. La stimolazione elettrica quasi raddoppia la loro guarigione. Risultati altrettanto intriganti sono stati ottenuti per le ferite diabetiche non cicatrizzanti-il tipo che porta all’amputazione degli arti, che di solito porta entro pochi anni alla morte.
Né l’effetto è limitato alla pelle. Un crescente corpo di prove negli ultimi decenni suggerisce che lo stesso tipo di stimolazione elettrica può accelerare la guarigione nelle fratture ossee—che può essere rilevante per il trattamento o addirittura prevenire l’osteoporosi. Ci sono anche crescenti prove che gli stessi meccanismi elettrici cellulari potrebbero essere sfruttati per riparare le lesioni spinali.
Il futuro della bioelettricità
Allora perché la stimolazione elettrica non viene utilizzata da ogni chirurgo su ogni ferita?
Un recente studio ha rilevato che l’idea che l’elettricità sia rilevante in biologia è ancora troppo nuova e controintuitiva per un’ampia accettazione. E anche quando i medici ne hanno sentito parlare, non sanno come usarlo: nessuna linea guida esistente specifica il tipo corrente (diretto? alternando?) o i parametri, per quanto tempo deve essere applicato? quanto dovrebbe essere forte?). Anche gli strumenti non sono standardizzati. Non c’è da meravigliarsi che in assenza di raccomandazioni chiare, i terapeuti preferiscano ricorrere agli antibiotici piuttosto che assumersi la responsabilità di questo insieme intimidatorio di opzioni.
Inoltre, in molti degli studi clinici, i ricercatori si lamentano che il kit, con i suoi elettrodi e le fonti di alimentazione, è troppo ingombrante, limita il movimento naturale e ostacola la conformità del paziente. Ma questo potrebbe non essere un problema per molto più tempo. Molti laboratori e aziende private stanno ora lavorando su medicazioni per ferite bioelettriche – poliestere o altri substrati impregnati di argento e altri agenti biologicamente attivi che vengono attivati dal “fluido della ferita” e amplificano la corrente naturale della ferita. Le versioni future potrebbero portare una carica più potente.
Alla fine dello scorso anno, un team congiunto USA-cinese dell’Università del Wisconsin e dell’Università di Huazhong ha sviluppato un nanogeneratore indossabile che potrebbe essere inserito nel design della benda per generare il campo elettrico crescente dai movimenti quotidiani di chi lo indossa. I ratti che indossavano questa benda hanno impiegato in media tre giorni per guarire; quelli che non ne hanno presi 12.
Potrebbe anche essere possibile migliorare la corrente della ferita senza stimolazione elettrica. Questo è importante per le lesioni in cui non è necessario applicare elettricità o una benda, come le lesioni agli occhi. Min Zhao presso l’Università della California, Davis, ha dimostrato che strappi nella cornea guarire più rapidamente quando alcuni canali ionici sono manipolati con semplici colliri per aumentare le dimensioni delle correnti di ferita—bioelettricità senza l’elettricità.
La connessione tra cancro ed elettricità
Se i cuori e le menti dei medici possono essere conquistati, la guarigione delle ferite è probabilmente l’applicazione clinica più immediata della ricerca bioelettrica. Ma ciò che possiamo aspettarci di vedere nei prossimi 10 anni è una maggiore chiarezza su come le singole cellule utilizzano la comunicazione elettrica per cooperare al servizio del corpo nel suo complesso.
Il cancro è stato definito una ferita che non guarisce. Ci sono molte somiglianze. Ad esempio, i nuovi vasi sanguigni si formano sia quando le ferite guariscono che quando le cellule diventano maligne, e in entrambi i casi ci sono cambiamenti nei segnali elettrici. La differenza è che nel cancro, i segnali non si fermano mai.
Come Langman e Burr sospettavano nel 1920, i tumori possono essere rilevati dalla loro interruzione delle proprietà bioelettriche ampiamente distribuite del corpo—interruzioni rilevabili in luoghi lontani dal tumore stesso. Burr ha mostrato che se si impiantasse un tumore in un animale, la segnalazione elettrica del suo corpo sarebbe quasi immediatamente in tilt.
Il cancro sta cominciando ad essere visto sempre più come un fallimento della comunicazione; una cattiva regolamentazione del campo dell’informazione che orchestra le attività delle singole cellule verso il funzionamento come parte di un normale sistema vivente. Le singole cellule “dimenticano” di essere parte di un insieme più grande e trattano il resto del corpo come un ambiente le cui risorse possono essere sfruttate per nutrirsi.
Questa è una grande partenza dalla visione mainstream, che per decenni ha sostenuto che ciò che trasforma una cellula sana in una cellula cancerosa è semplicemente l’accumulo di danni genetici. Le mutazioni, la storia è andata, portano alla proliferazione illimitata.
Ma cosa succede se ci fosse di più in questa storia? Michael Levin alla Tufts University è stato tra i primi a chiedersi se l’incapacità di una cellula di comunicare normalmente con le reti di patterning del corpo fosse rilevante anche per il comportamento del cancro.
Ci sono prove crescenti che è il caso. I campi elettrici generati dagli ioni che pompano attraverso la pelle o il tessuto dell’organo inviano segnali alle cellule per iniziare la migrazione, che è anche cruciale nel cancro che si diffonde in tutto il corpo. Mustafa Djamgoz all’Imperial College di Londra ha studiato il ruolo di un particolare tipo di canale del sodio nel cancro al seno e alla prostata. Questi proliferano nelle cellule cancerose, rendendole più elettricamente attive di quanto i normali meccanismi di controllo del corpo possano gestire. Tali cellule poi invadono altri tessuti e metastatizzano.
Non sono solo le metastasi a coinvolgere i segnali bioelettrici. Frankie Rawson dell’Università di Nottingham ha scoperto che un diverso tipo di corrente generata biologicamente è importante nel cancro consentendo la riprogrammazione energetica, un altro aspetto chiave del cancro.
Il cancro potrebbe essere invertito controllando le conversazioni bioelettriche tra le cellule? Nel 2013, il gruppo di Levin ha mostrato che potevano prevenire o invertire alcuni tumori nei girini usando farmaci per indirizzare la loro segnalazione bioelettrica. Gli stessi farmaci potrebbero accendere e spegnere il cancro a distanza, trattando l’ambiente, non le cellule stesse. Nel 2016 hanno ripristinato la normale segnalazione bioelettrica nei girini di rana con tumori. Questi erano cresciuti, si diffondevano e formavano il proprio apporto di sangue, fino a quando Levin aggiunse nuovi canali ionici attivati dalla luce con la terapia genica. Ciò ha causato l’arresto incontrollabile delle cellule che si dividono – infatti, sono tornate a uno stato sano dopo che i tumori si erano già formati. Le cellule al loro interno semplicemente smesso di essere cellule tumorali.
Questo approccio sarebbe problematico negli esseri umani, poiché la terapia genica rimane sperimentale, ma Levin sta lavorando per ripetere i suoi risultati con farmaci approvati per altri disturbi.
Fissare un sistema di comunicazione bioelettrica rotto potrebbe avere risultati ancora più drammatici. Levin mirava a invertire deformità catastrofiche nei girini che erano stati sottoposti all’equivalente del fumo pesante o del consumo di alcol durante la gestazione umana—entrambi i quali causano difetti embrionali interferendo con i segnali bioelettrici inviati dallo sviluppo di cellule fetali. Dopo un singolo bagno di due giorni in un farmaco a canale ionico ampiamente disponibile, i girini si sono riorganizzati e sono cresciuti normalmente. L’implicazione è che disturbi come la sindrome alcolica fetale e altri difetti alla nascita potrebbero alla fine essere reversibili negli esseri umani.
L’implicazione più ampia è ancora che entro il prossimo decennio, potremmo imparare abbastanza sulla bioelettricità per cambiare il modo in cui le reti cellulari comunicano e prendono decisioni su come crescono e si sviluppano. I nuovi strumenti di modellazione computazionale saranno un fattore importante qui. I ricercatori tra cui Levin ora stanno usando questi per dire loro esattamente quali canali devono essere ottimizzati per produrre cambiamenti desiderati in circuiti elettrici più grandi (e quindi cambiamenti fisici).
In definitiva, la guarigione delle ferite assomiglia piuttosto al tipo di rigenerazione per cui le salamandre sono famose—e in effetti, Levin ha dimostrato in diversi esperimenti che arti e code possono essere rigenerati mediante tweaking bioelettrico, anche in specie come le rane che non sono naturalmente predisposte ad esso. Ciò solleva la prospettiva di trattamenti futuri che comportano semplicemente la rimozione di una parte del corpo interessata e la ricrescita.
Capovolgere l’interruttore
Chiaramente, ci sono molti ostacoli da superare prima di iniziare a mettere il cancro in retromarcia, tagliando gli arti o tagliando gli organi vitali e coltivandone di nuovi. Prove umane saranno difficili da condurre, e una cella è un ambiente diabolicamente complicato con molte variabili per tenere traccia di: esperimenti nel manipolare il campo bioelettrico hanno rivelato che ci sono ancora molte lacune da tappare.
Tuttavia, continuiamo a scoprire di più su come sono coinvolte e collegate le nostre reti di comunicazione cellulare, dentro e attraverso tutte le cellule. L’anno scorso, Djamgoz ha scoperto che sopprimere i suoi particolari canali del sodio con un farmaco potrebbe fermare le metastasi nei ratti con cancro alla prostata. Ha già depositato un brevetto per riutilizzare i bloccanti dei canali del sodio voltaggio-gated come farmaci anti-metastatici.
Ciò che è diventato chiaro solo nell’ultimo decennio è la possibilità di attingere alla comunicazione, amplificarla e interromperla. Nel prossimo decennio, possiamo fare rapidi progressi se possiamo ottenere le nostre teste intorno all’idea che i nostri corpi sono almeno elettrici come sono chimici o meccanici. In parte, si tratta di andare oltre la semplice comprensione degli effetti che i segnali bioelettrici hanno per capire cosa significano effettivamente. Modelli computazionali che suggeriscono a quali modifiche del canale ionico corrispondono i cambiamenti fisici che diventeranno più precisi man mano che l’elaborazione diventa più potente. E i ricercatori stanno cominciando a colmare le lacune tra le discipline-biofisica, ingegneria, o biologia molecolare—che hanno a lungo frustrato i progressi in questo settore.
Il sogno, entro 10 o 20 anni, è quello di utilizzare queste intuizioni per profilare le proprietà elettriche dei tessuti biologici nello stesso modo in cui abbiamo profilato la sua base genetica—cioè, per completare il “electrome” umano e quindi usarlo crack il codice bioelettrico umano.
Dopo quasi un secolo di abbandono e stagnazione, la scienza della bioelettricità ha finalmente raggiunto un punto di svolta: Siamo pronti a decifrare il codice bioelettrico ora.
Questo saggio è stato adattato da un finalista del premio Tipping Point di Nesta. Leggi tutti i saggi qui.