hver bevegelse, oppfatning og tanke styres av elektrisitet.
hvis dette virker usannsynlig for deg, er det sannsynligvis fordi du antar elektrisitet og menneskekroppen ikke blander seg. Men akkurat som elektriske signaler underbygger verdens kommunikasjonsnettverk, oppdager vi at de gjør det samme i kroppene våre: Bioelektrisitet er hvordan cellene våre kommuniserer med hverandre.
Takket være mer følsomme instrumenter, bedre teknikker for å måle vår medfødte elektrisitet på mobilnivå, og en følgelig dypere forståelse av disse cellulære prosessene, kan vi nå gjøre mye mer for å tolke, avbryte eller omdirigere disse kommunikasjonssignalene. Applikasjonene er utallige, men spesielt lovende og umiddelbare for å fikse kroppen når det går galt, enten på grunn av traumer, fødselsskader eller kreft. Typer reparasjoner aktivert av bioelektriske intervensjoner er rett og slett sjokkerende.
kroppen elektrisk
Bioelektrisitet er ikke den typen elektrisitet som slår på lysene når du klikker på bryteren. Den slags elektrisitet er basert på elektroner: negativt ladede partikler som strømmer i en strøm. Menneskekroppen—inkludert hjernen-kjører på en helt annen versjon: bevegelsene til det meste positivt ladede ioner av elementer som kalium, natrium og kalsium.
dette er hvordan alle signaler reiser i og mellom hjernen og hvert organ og agent for oppfatning, bevegelse og kognisjon. Det er grunnleggende for vår evne til å tenke og snakke og gå. Og det viser seg at det også spiller en stor rolle i hvordan cellene våre forteller hverandre at systemene de bor i, er sunne-eller ikke.
Dette har ikke alltid vært åpenbart. Louis Langman, for eksempel, var forut for sin tid. På 1920-tallet i New York city tilbød han pasienter på Hans avdeling Ved Bellevue Gynekologisk Tjeneste en uvanlig diagnose for kreft: to elektroder, en plassert i vaginalkanalen og en annen på puben. Disse tillot ham å måle den elektriske spenningsgradienten mellom livmorhalsen og den ventrale bukveggen. Hvis Langman oppdaget en markant endring i denne gradienten, tilbød han kvinnen en laparotomi for å sjekke om hans mistanker var berettiget.
teknikken var overraskende effektiv. Av de 102 tilfellene der svingninger viste et signifikant skifte i spenningsgradienten, ble 95 bekreftet å ha maligniteter. Den nøyaktige plasseringen av kreften varierte, men de ble ofte identifisert før kvinnen hadde opplevd åpenbare symptomer.
Langman og hans medforfatter, yale anatomist Harold Saxton Burr, var blant en liten klikk av forskere som undersøkte de elektriske egenskapene til menneskelig vev. De trodde at alle levende ting—fra mus til menn til planter-støpes og styres av elektriske felt som kan måles og kartlegges med standard voltmetre.
Langman og Burr var korrekte, men deres funn ble dårlig forstått til 1949 da Alan Hodgkin og Andrew Huxley oppdaget hvordan ioner hjelper elektriske signaler hoppe over nervecellemembraner. Det gjennombruddet, som de senere vant En Nobelpris, burde ha utløst en eksplosjon av forskning, inkludert å lete etter ionisk kommunikasjon utenfor nervesystemet.
Men Ikke før Hadde Hodgkin og Huxley oppdaget denne mekanismen enn det ble overskygget av et annet gjennombrudd: I 1953 annonserte James Watson og Francis Crick at DE hadde oppdaget dna-strukturen med DOBBEL helix. Hele disiplinen av biologi reorganiserte seg raskt rundt gener. Bioelektrisitet ble henvist til en nisje bekymring innen nevrovitenskap.
det hjalp ikke at det ikke var mulig å studere ionstrømmer i mange andre typer celler i kroppen uten å drepe dem, og dermed slukke selve prosessene som ble studert. Det vil si til 1976, da Erwin Neher og Bert Sakmann utviklet et verktøy for å gjøre nettopp det-slik at forskere kan se individuelle ioner som driver inn og ut av nevroner. De brukte sin» patch clamp » – teknikk for å oppdage kanalene som tillater ioner å gjennomsyre cellemembraner.
Under huden
jakten på bioelektrisk kommunikasjon var i gang, og genetikken gikk fra å være bioelektrisk nemesis til sin beste venn. Forskere kunne nå klone celler med og uten spesielle ionkanaler og se hva som skjedde. Det førte raskt til gjenoppdagelsen av bioelektrisk signalering i mange typer celler utenfor nervesystemet.
en av de tidligste var hudceller, som genererer et elektrisk felt når det er skadet. Du kan føle denne såkalte skadestrømmen selv: bite kinnet hardt og legg tungen på den. Du vil føle en tingle. Det er du sensing spenningen. Sårstrømmen ringer ut til det omkringliggende vevet, tiltrekker hjelpere som helbredende midler, makrofager for å tørke opp rotet og kollagen-veving reparasjonsceller kalt fibroblaster.
men denne strømmen var vanskelig å måle til bare noen få år siden – de skjøre, ultrasensitive enhetene som var i stand til å identifisere ioner som strømmer inn og ut av celler, kunne ikke forstyrres og ville ikke fungere på et tørt miljø som hud. Men I 2012 Opprettet Richard Nuccitelli en ikke-invasiv enhet som kunne håndtere hud, slik at menneskelige skadestrømmer kunne overvåkes nøye. Han oppdaget at det topper ved skade, avtar når såret helbreder, og vender tilbake til uoppdagelig når helbredelsen er fullført.
men interessant, han fant også at folk som har skade gjeldende var svak helbredet saktere enn folk som har skade gjeldende var » høyere.»Mer interessant fortsatt: Sårstrømstyrken avtar med alderen, og sender ut et signal som bare er halvparten så sterkt i over-65s som i under-25s.
Dette har ført til en bølge av interesse for å bruke kroppens naturlige elektrisitet for å akselerere eller forbedre sårheling. Ann Rajnicek ved University of Aberdeen har funnet ut at hvis hun brukte kanalblokkerende stoffer for å hemme natriumioner, og dermed avbryte de elektriske signalene som sendes av sårstrømmen hos rotter, tok sårene lengre tid å helbrede.
Kan det motsatte være sant? Kan amping opp hudens naturlige elektriske felt redusere helbredelsestider, eller til og med tillate helbredelse av sår som er ekstremt motstandsdyktige mot helbredelse i det hele tatt?
nylige forsøk indikerer at svaret er ja. Kanskje de mest opprivende typer sår er alvorlige sengesår, som kan ta måneder til år å helbrede (hvis de helbreder i det hele tatt) og angripe vev, muskler og bein dypt under huden. To nyere metaanalyser konkluderte med at forsterkning av den naturlige sårstrømmen med elektrisk stimulering forhindret dem alle i å bli verre, og til og med helbredet noen av de verste helt. Elektrisk stimulering dobler nesten deres helbredelse. Tilsvarende spennende resultater har blitt oppnådd for ikke-helbredende diabetiske sår – den typen som fører til amputasjon av lemmer, som vanligvis fører innen få år til døden.
effekten er Heller ikke begrenset til hud. En økende mengde bevis de siste tiårene tyder på at den samme typen elektrisk stimulering kan akselerere helbredelse i beinfrakturer-noe som kan være relevant for behandling eller til og med forebygging av osteoporose. Det er enda økende bevis på at de samme cellulære elektriske mekanismene kan utnyttes for å fikse spinalskader.
fremtiden for bioelektrisitet
så hvorfor brukes ikke elektrisk stimulering av hver kirurg på hvert sår?
en nylig studie fant at ideen om elektrisitet er relevant i biologi fortsatt er for ny og counterintuitiv for bred aksept. Og selv når klinikere har hørt om det, vet de ikke hvordan de skal bruke det: Ingen eksisterende retningslinjer angir enten gjeldende type (direkte? vekslende?) eller parametrene (hvor lenge skal det brukes? hvor sterk skal den være?). Selv verktøyene er ikke standardisert. Det er lite rart at terapeuter i mangel av klare anbefalinger foretrekker å ty til antibiotika i stedet for å ta ansvar for dette skremmende settet av alternativer.
i tillegg klager forskerne i mange av de kliniske forsøkene at settet, med elektroder og strømkilder, er for tungvint, begrenser naturlig bevegelse og kommer i veien for pasientens overholdelse. Men dette kan ikke være et problem for mye lenger. Mange laboratorier og private selskaper jobber nå med bioelektriske sårforbindinger—polyester eller andre underlag impregnert med sølv og andre biologisk aktive midler som aktiveres av «sårvæsken» og forsterker den naturlige sårstrømmen. Fremtidige versjoner kan bære en kraftigere ladning.
Sent i fjor utviklet et felles AMERIKANSK-Kinesisk team fra University Of Wisconsin og Huazhong University en bærbar nanogenerator som kunne glides inn i bandasjedesignet for å generere det forsterkende elektriske feltet fra hverdagens bevegelser av brukeren. Rotter som hadde på seg denne bandasjen tok i gjennomsnitt tre dager å helbrede; de som ikke tok 12.
det kan til og med være mulig å forsterke sårstrømmen uten elektrisk stimulering. Dette er viktig for skader der du ikke trenger å bruke strøm eller bandasje, som øyeskader. Min Zhao ved University Of California, Davis, viste at riper i hornhinnen heler raskere når visse ionkanaler manipuleres med enkle øyedråper for å øke størrelsen på sårstrømmer-bioelektrisitet uten elektrisitet.
forbindelsen mellom kreft og elektrisitet
hvis legers hjerter og sinn kan vinnes, er sårheling trolig den mest umiddelbare kliniske anvendelsen av bioelektrisk forskning. Men det vi kan forvente å se i løpet av de neste 10 årene, er større klarhet om hvordan individuelle celler bruker elektrisk kommunikasjon til å samarbeide i tjeneste for kroppen som helhet.
Kreft har blitt kalt et sår som ikke gror. Det er mange likheter. For eksempel dannes nye blodkar både som sår leges og som celler blir ondartede, og det er endringer i elektriske signaler i begge tilfeller. Forskjellen er at i kreft stopper signalene aldri.
Som Langman og Burr mistenkte på 1920-tallet, kan kreft oppdages ved deres forstyrrelse av utbredt bioelektriske egenskaper i kroppen-forstyrrelser som kan påvises på steder langt borte fra selve svulsten. Burr viste at hvis du implanterer en svulst i et dyr, vil kroppens elektriske signalering nesten umiddelbart gå haywire.
Kreft begynner å bli sett i økende grad som en svikt i kommunikasjon; en feilregulering av informasjonsfeltet som orkestrerer individuelle cellers aktiviteter mot å fungere som en del av et normalt levende system. Individuelle celler «glemmer» de er en del av en større helhet og behandler resten av kroppen som et miljø hvis ressurser kan utnyttes for å mate seg selv.
Dette er en stor avvik fra den vanlige oppfatningen, som i flere tiår holdt fast på at det som gjør en sunn celle til en kreftcelle, bare er akkumulering av genetisk skade. Mutasjoner, historien gikk, fører til ubegrenset spredning.
men hva om det var mer til denne historien? Michael Levin ved Tufts University var blant de tidligste til å lure på om en celle manglende evne til å kommunisere normalt med kroppens mønster nettverk var også relevant for oppførselen til kreft.
det er økende bevis som er tilfelle. De elektriske feltene som genereres av ioner som pumper over hud eller organvev, sender signaler til celler for å starte migrasjon, noe som også er avgjørende for kreft som sprer seg rundt kroppen. Mustafa Djamgoz Ved Imperial College London har undersøkt rollen som en bestemt type natriumkanal i bryst-og prostatakreft. Disse sprer seg i kreftceller, noe som gjør dem mer elektrisk aktive enn kroppens normale kontrollmekanismer kan klare. Slike celler invaderer deretter andre vev og metastaserer.
det er ikke bare metastase som bioelektriske signaler er involvert i. Frankie Rawson ved University Of Nottingham har oppdaget at en annen type biologisk generert strøm er viktig i kreft ved å muliggjøre energireprogrammering-et annet viktig aspekt ved kreft.
kan kreft reverseres ved å kontrollere de bioelektriske samtalene mellom celler? I 2013 Viste Levins gruppe at De kunne forhindre eller reversere noen svulster i tadpoles ved å bruke medisiner for å målrette deres bioelektriske signalering. De samme stoffene kan slå kreft på og av på avstand, ved å behandle miljøet, ikke cellene selv. I 2016 gjenopprettet de normal bioelektrisk signalering i frosk tadpoles med svulster. Disse hadde vokst, spredt seg og dannet sin egen blodtilførsel, til Levin la til nye, lysaktiverte ionkanaler med genterapi. Det førte til at cellene stoppet ukontrollert deling—faktisk gikk de tilbake til en sunn tilstand etter at svulstene allerede hadde dannet seg. Cellene i dem sluttet bare å være kreftceller.
denne tilnærmingen vil være problematisk hos mennesker, siden genterapi forblir eksperimentell, Men Levin jobber med å gjenta sine resultater med legemidler godkjent for andre plager.
Å Fikse et ødelagt bioelektrisk kommunikasjonssystem kan ha enda mer dramatiske resultater. Levin hadde som mål å reversere katastrofale deformiteter i tadpoles som hadde blitt utsatt for tilsvarende tung røyking eller alkoholforbruk under menneskelig svangerskap-som begge forårsaker embryonale defekter ved å forstyrre bioelektriske signaler sendt ved å utvikle føtale celler. Etter en enkelt to-dagers bad i en allment tilgjengelig ionekanal narkotika, rumpetroll omorganisert seg og vokste som normalt. Implikasjonen er at lidelser som føtalt alkoholsyndrom og andre fødselsskader til slutt kan reverseres hos mennesker.
den bredere implikasjonen er fortsatt at i løpet av det neste tiåret kan vi lære nok om bioelektrisitet for å endre hvordan cellenettverk kommuniserer og tar beslutninger om hvordan de vokser og utvikler seg. Nye beregningsmodelleringsverktøy vil være en viktig faktor her. Forskere, Inkludert Levin, bruker nå Disse til å fortelle dem nøyaktig hvilke kanaler som må justeres for å produsere ønskede endringer i større elektriske kretser (og dermed fysiske endringer).
til Slutt ser sårheling ut som den slags regenerering som salamandere er berømte for-Og Faktisk Har Levin vist i flere eksperimenter at lemmer og haler kan regenereres ved bioelektrisk tweaking, selv i arter som frosker som ikke er naturlig predisponert for det. Dette øker utsiktene til fremtidige behandlinger som involverer bare å fjerne en berørt kroppsdel og regrowing det.
Snu bryteren
Det Er Klart at det er mange hindringer å fjerne før vi begynner å sette kreft i revers, kutte av lemmer eller kutte ut vitale organer og vokse nye. Menneskelige forsøk vil være vanskelig å gjennomføre, og en celle er et fiendishly komplisert miljø med mange variabler å holde styr på: eksperimenter i å manipulere det bioelektriske feltet har avslørt at det fortsatt er mange hull som skal plugges.
likevel fortsetter vi å oppdage mer om hvor involvert og koblet våre mobilkommunikasjonsnettverk er, i og på tvers av alle celler. I fjor fant Djamgoz at undertrykkelse av hans spesielle natriumkanaler med et stoff kunne stoppe metastase hos rotter med prostatakreft. Han har allerede innlevert et patent for å gjenbruke spenningsstyrte natriumkanalblokkere som anti-metastatiske legemidler.
det som bare har blitt klart i det siste tiåret, er muligheten for å tappe inn i kommunikasjonen, forsterke den og avbryte den. I det neste tiåret kan vi gjøre raske fremskritt hvis vi kan få hodene våre rundt ideen om at kroppene våre er minst like elektriske som de er kjemiske eller mekaniske. Til dels handler det om å gå utover bare å forstå hvilke effekter de bioelektriske signalene må forstå hva de egentlig betyr. Beregningsmodeller som tyder på hvilke ionkanal tweaks samsvarer med hvilke fysiske endringer som bare blir mer presise når databehandling blir kraftigere. Og forskere begynner å bygge bro over hullene mellom disipliner-biofysikk, ingeniørfag eller molekylærbiologi-som lenge har frustrert fremgang på dette området.
drømmen, innen 10 eller 20 år, er å bruke disse innsiktene til å profilere de elektriske egenskapene til biologiske vev på samme måte som vi har profilert dets genetiske grunnlag—det vil si å fullføre den menneskelige «elektro» og deretter bruke den til å knekke den menneskelige bioelektriske koden.
etter nesten et århundre med forsømmelse og stagnasjon har vitenskapen om bioelektrisitet endelig nådd et tippepunkt: Vi er klare til å knekke den bioelektriske koden nå.
dette essayet ble tilpasset fra En finalist I Nesta ‘ S Tipping Point Prize. Les alle essayene her.