あなたのあらゆる動き、知覚、思考は電気によって制御されています。
これはあなたにはありそうにないと思われる場合、それはおそらくあなたが電気と人体が混在していないと仮定しているためです。 しかし、電気信号が世界の通信ネットワークを支えるのと同じように、私たちは彼らが私たちの体で同じことをすることを発見しています：生物電気は、私たちの細胞が互いにどのように通信するかです。
より敏感な機器、細胞レベルで私たちの生来の電気を測定するためのより良い技術、そしてそれらの細胞プロセスのより深い理解のおかげで、私たちは今、それらの通信信号を解釈、中断、またはリダイレクトするためにもっと多くのことを行うことができます。 アプリケーションは無数ですが、外傷、先天性欠損症、または癌のためかどうか、それがうまくいかないときに体を固定するために特に有望で即時です。 生物電的介入によって可能にされる修正の種類は実に衝撃的です。
本体電気
生体電気は、スイッチをフリックしたときにライトをオンにする電気のようなものではありません。 その種の電気は電子に基づいています：負に荷電した粒子が電流を流します。 人間の体—脳を含む—非常に異なるバージョンで実行されます：カリウム、ナトリウム、カルシウムのような要素の主に正に帯電したイオンの動き。
これは、すべての信号が脳内および脳と知覚、運動、認知のすべての器官およびエージェントとの間を移動する方法です。 それは考え、話し、歩く私達の機能に基本的である。 そして、それはまた、私たちの細胞がお互いに彼らが存在するシステムが健康であるかどうかを伝える方法に大きな役割を果たしています。
これは常に明白ではありませんでした。 ルイ-ラングマンは、例えば、彼の時代に先んじていた。 ニューヨーク市で1920年代に働いて、彼はベルビュー婦人科サービスで彼の病棟の患者に癌の異常な診断を提供しました：二つの電極、一つは膣管に置かれ、もう一つは恥骨に置かれました。 これらは、彼が子宮頸部と腹壁との間の電圧勾配を測定することを可能にした。 ラングマンがこの勾配の顕著な変化を検出した場合、彼は彼の疑いが正当化されたかどうかを確認するために女性に開腹術を提供した。
このテクニックは驚くほど効果的でした。 変動が電圧勾配の有意なシフトを明らかにした102例のうち、95は悪性腫瘍を有することが確認された。 癌の正確な位置は様々であったが、女性が明らかな症状を経験する前に同定されたことが多かった。
Langmanと彼の共著者であるYale anatomist Harold Saxton Burrは、人間の組織の電気的性質を調査している小さな科学者の一団の一人でした。 彼らは、マウスから男性、植物まで、すべての生き物が成形され、標準的な電圧計で測定してマッピングできる電界によって制御されると信じていました。
LangmanとBurrは正しかったが、Alan HodgkinとAndrew Huxleyがイオンが電気信号が神経細胞膜を通過するのを助ける方法を発見した1949年まで、彼らの発見はよく理解されていなかった。 彼らが後にノーベル賞を受賞したその画期的なことは、神経系を超えたイオンコミュニケーションを探すなど、研究の爆発を引き起こしたはずです。
しかし、ホジキンとハクスリーがこのメカニズムを発見したのは、1953年にJames WatsonとFrancis CrickがDNAの二重らせん構造を発見したことを発表した。 生物学の全体の規律は急速に遺伝子の周りに自分自身を再編成しました。 バイオ電気は、神経科学の中でニッチな懸念に追いやられました。
体内の他の多くのタイプの細胞のイオン流を殺すことなく研究する方法がなく、研究されているプロセスそのものを消滅させることは助けに つまり、1976年まで、Erwin NeherとBert Sakmannがそれを行うためのツールを開発し、科学者が個々のイオンがニューロンに出入りするのを見ることを可能にしました。 彼らは、イオンが細胞膜に浸透することを可能にするチャネルを発見するために彼らの”パッチクランプ”技術を使用しました。
肌の下
バイオエレクトリカルコミュニケーションのための狩りがオンになっていた、と遺伝学はバイオエレクトリシティの宿敵であることから、その親友に行ってきました。 科学者は今、特定のイオンチャネルの有無にかかわらず細胞をクローン化し、何が起こったのかを見ることができます。 それは神経系を越えて多くの種類の細胞のbioelectricシグナリングの再発見にすぐにつながった。
最も初期のものの1つは皮膚細胞であり、負傷したときに電界を発生させます。 あなたは、このいわゆる傷害電流を自分で感じることができます：あなたの頬を激しく噛んで、それにあなたの舌を置きます。 あなたはうずきを感じるでしょう。 それはあなたが電圧を感知しています。 傷の流れは周囲のティッシュに呼び、混乱の上で拭くために治療の代理店、大食細胞および繊維芽細胞と呼ばれるコラーゲン編む修理細胞のような助
しかし、この電流はほんの数年前までは測定するのが難しかった—細胞に出入りするイオンを識別することができる脆弱で超高感度な装置は、 しかし、2012年にRichard Nuccitelliは皮膚に対処できる非侵襲的なデバイスを作成し、人間の傷害電流を厳密に監視できるようにしました。 彼は、それが怪我でピークに達し、傷が治癒するにつれて衰え、治癒が完了すると検出不可能に戻ることを発見しました。
しかし興味深いことに、彼はまた、怪我の流れが弱い人は、怪我の流れが”大声”だった人よりもゆっくりと治癒することを発見しました。「もっと興味深いのは、創傷電流強度は年齢とともに低下し、65歳以上では25歳未満では半分しか強い信号を発しないことです。
これは、創傷治癒を促進または改善するために私たちの体の自然な電気を使用することへの関心の高まりにつながっています。 アバディーン大学のAnn Rajnicekは、ナトリウムイオンを阻害し、それによってラットの創傷電流によって送られた電気信号を中断するためにチャネル遮断薬を使用した場合、創傷が治癒するのに時間がかかることを発見しました。
その逆は本当でしょうか？ 皮膚の自然な電場を改善することで、治癒時間が短縮されたり、治癒に非常に抵抗性のある創傷の治癒を可能にすることさえできますか？
最近の試験では、答えはイエスであることが示されています。 おそらく最も悲惨な種類の傷は、重度の床の傷であり、治癒するのに数ヶ月から数年かかることがあります（治癒した場合）、皮膚の深部の組織、筋肉、骨 最近の2つのメタ分析は、電気刺激で自然な創傷電流を増幅することは、それらすべてが悪化するのを防ぎ、最悪のもののいくつかを完全に治癒させ 電気刺激はほとんど彼らの治癒を倍増させます。 同様に興味をそそる結果は非治療の糖尿病性の傷のために得られました-通常死に数年以内に導く肢の切断をもたらす種類。
も肌に限定された効果はありません。 過去数十年にわたる証拠の増加は、同じ種類の電気刺激が骨折の治癒を促進することができることを示唆しています—これは骨粗鬆症の治療また 同じ細胞電気機構が脊髄損傷を修復するために利用される可能性があるという証拠も増えています。
生体電気の未来
では、なぜすべての外科医がすべての創傷に電気刺激を使用しないのですか？
最近の研究では、電気が生物学に関連しているという考えは、まだ広く受け入れられるにはあまりにも斬新で直感に反することが分かった。 そして、臨床医がそれを聞いたことがあるとしても、彼らはそれを使用する方法を知らない：既存のガイドラインは、現在のタイプ（直接？ 交互に？）またはパラメータ（どのくらい適用する必要がありますか？ それはどのように強いはずですか？). ツールでさえ標準化されていません。 明確な推奨事項がない場合、セラピストはこの威圧的な一連のオプションに責任を負うのではなく、抗生物質に頼ることを好むのは不思議ではあ
さらに、多くの臨床試験では、電極と電源を備えたキットが面倒で、自然な動きが制限され、患者のコンプライアンスの邪魔になると研究者は不平を言 しかし、これははるかに長い間問題ではないかもしれません。 多くの実験室および民間企業はbioelectric傷のドレッシング—”傷の液体”によって活動化させ、自然な傷の流れを増幅する銀および他の生物学的に活動的な代理店と浸透させるポリエステルか他の基質に今取り組んでいる。 将来のバージョンでは、より強力な電荷を運ぶことができます。
昨年末、ウィスコンシン大学と華中大学の米中共同チームが、着用者の日常的な動きから増強電界を生成するために包帯の設計に入れることがで この包帯を身に着けていたラットは治るために平均三日にかかった;12を取らなかったそれら。
電気刺激なしで創傷電流を増強することさえ可能であり得る。 これは、目の怪我のように、電気や包帯を必要としない怪我には重要です。 カリフォルニア大学デイビス校のMin Zhao氏は、特定のイオンチャネルを単純な点眼薬で操作して創傷電流のサイズを大きくすると、角膜の裂け目がより迅速に治癒することを示しました。
がんと電気のつながり
医師の心と心を勝ち取ることができれば、創傷治癒はおそらく生物電気研究の最も即時の臨床応用である。 しかし、今後10年間で私たちが期待できることは、個々の細胞が電気通信を使用して身体全体のサービスに協力する方法についてのより明確なものです。
がんは治癒しない傷と呼ばれています。 多くの類似点があります。 例えば、創傷が治癒し、細胞が悪性化すると、新しい血管が形成され、両方の場合に電気信号に変化がある。 違いは、癌では、信号が決して停止しないということです。
1920年代にLangmanとBurrが疑われたように、がんは身体の広範に分布する生体電気特性の破壊によって検出することができ、腫瘍自体から遠く離れた場所で バリは、あなたが動物に腫瘍を移植する場合、その体の電気信号はほとんどすぐにhaywire行くだろうことを示しました。
がんは、コミュニケーションの失敗、つまり個々の細胞の活動を正常な生命系の一部として機能させるための情報分野の調節不全と見なされ始めてい 個々の細胞は、より大きな全体の一部であり、身体の残りの部分を、その資源を利用して自分自身を養うことができる環境として扱うことを「忘れ」ます。
これは、健康な細胞を癌細胞に変えるのは単に遺伝的損傷の蓄積であると何十年もの間主張していた主流の見解からの大きな逸脱である。 突然変異は、物語が行き、無制限の増殖につながります。
しかし、この話にもっとあったらどうでしょうか？ タフツ大学のMichael Levinは、細胞が体のパターニングネットワークと正常に通信できないことが癌の行動にも関連しているのかどうか疑問に思っていた最も早い人の一人でした。
そのような証拠が増えています。 皮膚や臓器組織を横切ってポンピングするイオンによって生成された電界は、移動を開始するために細胞に合図を送り、これは体の周りに広がる癌 インペリアル-カレッジ-ロンドンのMustafa Djamgozは、乳房および前立腺癌における特定の種類のナトリウムチャネルの役割を調査した。 これらは癌性細胞で増殖し、身体の正常な制御機構が管理できるよりも電気的に活性化する。 そのような細胞はその後、他の組織に侵入し、転移する。
生体電気信号が関与しているのは転移だけではありません。 ノッティンガム大学のFrankie Rawsonは、がんの別の重要な側面であるエネルギー再プログラミングを可能にすることによって、異なる種類の生物学的に生成された電流ががんにおいて重要であることを発見しました。
細胞間の生体電気的会話を制御することによって癌を逆転させることができますか？ 2013では、Levinのグループは、生物電気シグナル伝達を標的とする薬物を使用することによって、オタマジャクシのいくつかの腫瘍を予防または逆転させることができることを示しました。 同じ薬は、細胞自体ではなく、環境を治療することによって、遠くで癌をオンとオフにすることができます。 2016年には、腫瘍を伴うカエルのオタマジャクシにおける正常な生体電気シグナル伝達を回復させた。 これらは、Levinが遺伝子治療で新しい光活性化イオンチャネルを追加するまで、成長し、広がり、独自の血液供給を形成していました。 それは細胞が制御不能に分裂するのを止めさせました—実際には、腫瘍がすでに形成された後、それらは健康な状態に戻りました。 それらの中の細胞は、単に癌細胞であることを停止しました。
遺伝子治療は実験的なままであるため、このアプローチはヒトでは問題になるだろうが、レビンは他の病気のために承認された薬で彼の結果を繰り返
壊れた生体電気通信システムを修正することは、さらに劇的な結果をもたらす可能性があります。 Levinは、ヒト妊娠中に重い喫煙やアルコール消費と同等のものを受けていたオタマジャクシの壊滅的な変形を逆転させることを目的としていました。 広く利用可能なイオンチャネル薬物中の単一の二日間の浴の後、オタマジャクシは自分自身を再配置し、通常のように成長した。 含意は、胎児アルコール症候群や他の先天性欠損症のような障害は、最終的にはヒトで可逆的である可能性があるということです。
より広範な意味は、今後10年以内に、細胞ネットワークがどのように通信し、それらがどのように成長し、発達するかについての決定を下すかを変える ここでは、新しい計算モデリングツールが主要な要因になります。 Levinを含む研究者は、これらを使用して、より大きな電気回路で所望の変化（したがって物理的変化）を生成するために微調整する必要があるチャネルを
最終的には、創傷治癒はむしろサンショウウオが有名な再生のように見えます—そして実際、Levinはいくつかの実験で、自然にそれに素因がないカエルのような種であっても、四肢と尾が生物電気的微調整によって再生できることを実証しました。 これは影響を受けた身体部分を単に取除き、再生することを含む未来の処置の見通しを上げる。
スイッチを反転させる
明らかに、がんを逆にしたり、手足を落としたり、重要な臓器を切り取って新しいものを成長させたりする前に、クリアすべき非常に多くのハードルがあります。 人間の試験は実施するのが難しく、細胞は追跡するための多くの変数を持つ非常に複雑な環境です：生体電界を操作する実験では、プラグインする
それにもかかわらず、私たちは、私たちのセルラー通信ネットワークがどのように関与し、接続されているかについて、すべてのセル内で、また、接続されているかについて、より多くの発見を続けています。 昨年、Djamgozは、特定のナトリウムチャネルを薬物で抑制することで、前立腺癌のラットの転移を止めることができることを発見しました。 彼はすでに、電圧ゲートナトリウムチャネルブロッカーを抗転移薬として再利用する特許を申請しています。
ここ10年でしか明らかになっていないのは、通信を活用し、増幅し、中断する可能性である。 次の十年では、私達は私達の体が化学または機械であると少なくとも電気であるという考えのまわりで私達の頭部を得てもいいです急速な進歩をしてもいいです。 部分的には、それは単に生体電気信号が実際に何を意味するのかを理解するために持っている影響を理解することを超えて行くことです。 どのイオンチャネルの微調整がどの物理的変化に対応するかを示唆する計算モデルは、計算がより強力になるにつれてより正確になるだけで そして、研究者たちは、生物物理学、工学、分子生物学などの分野の間のギャップを橋渡しし始めています。
夢は、10年または20年以内に、これらの洞察を使用して、私たちがその遺伝的基盤をプロファイリングしたのと同じ方法で生物組織の電気的特性をプロファイリングすることです。
ほぼ一世紀の怠慢と停滞の後、生物電気の科学は最終的に転換点に達しました: 私達はbioelectricコードを今解読して準備ができています。
このエッセイは、NestaのTipping Point Prizeのファイナリストから翻案されました。 ここですべてのエッセイを読んでください。