elke beweging, perceptie en gedachte wordt beheerst door elektriciteit.
als dit voor u onwaarschijnlijk lijkt, is het waarschijnlijk omdat u aanneemt dat elektriciteit en het menselijk lichaam niet samengaan. Maar net zoals elektrische signalen de communicatienetwerken van de wereld ondersteunen, ontdekken we dat ze hetzelfde doen in ons lichaam: bio-elektriciteit is hoe onze cellen met elkaar communiceren.
dankzij gevoeligere instrumenten, betere technieken om onze ingeboren elektriciteit op cellulair niveau te meten, en een daaruit voortvloeiend dieper inzicht in deze cellulaire processen, kunnen we nu veel meer doen om deze communicatiesignalen te interpreteren, te onderbreken of om te leiden. De toepassingen zijn myriad, maar vooral veelbelovend en onmiddellijk voor de vaststelling van het lichaam wanneer het mis gaat, of als gevolg van trauma, geboorteafwijkingen, of kanker. De soorten fixes mogelijk gemaakt door bio-elektrische interventies zijn ronduit schokkend.
de elektrische behuizing
bio-elektriciteit is niet het soort elektriciteit dat uw licht doet branden wanneer u op de schakelaar drukt. Dat soort elektriciteit is gebaseerd op elektronen: negatief geladen deeltjes die in een stroom stromen. Het menselijk lichaam—inclusief de hersenen-draait op een heel andere versie: de bewegingen van meestal positief geladen ionen van elementen zoals kalium, natrium en calcium.
dit is hoe alle signalen binnen en tussen de hersenen en elk orgaan en middel van waarneming, beweging en cognitie reizen. Het is fundamenteel voor ons vermogen om te denken, praten en lopen. Het blijkt ook een grote rol te spelen in hoe onze cellen elkaar vertellen dat de systemen waarin ze zich bevinden gezond zijn—of niet.
Dit is niet altijd duidelijk geweest. Louis Langman, bijvoorbeeld, was zijn tijd vooruit. Hij werkte in de jaren twintig in New York City en bood patiënten op zijn afdeling van de gynaecologische dienst van Bellevue een ongewone diagnose voor kanker aan: twee elektroden, één in het vaginale kanaal en één op het schaambeen. Hierdoor kon hij de elektrische spanningsgradiënt tussen de baarmoederhals en de buikwand meten. Als Langman een duidelijke verandering in deze gradiënt ontdekte, bood hij de vrouw een laparotomie aan om te controleren of zijn vermoedens gerechtvaardigd waren.
de techniek was verrassend effectief. Van de 102 gevallen waarin fluctuaties een significante verschuiving in de spanningsgradiënt aan het licht brachten, bleken er 95 maligniteiten te hebben. De exacte locaties van de kanker varieerden, maar ze werden vaak geïdentificeerd voordat de vrouw duidelijke symptomen had ervaren.Langman en zijn medeauteur, Harold Saxton Burr, behoorden tot een kleine groep wetenschappers die onderzoek deden naar de elektrische eigenschappen van menselijk weefsel. Ze geloofden dat alle levende dingen—van muizen tot mensen tot planten—worden gevormd en gecontroleerd door elektrische velden die kunnen worden gemeten en in kaart gebracht met standaard voltmeters.Langman en Burr hadden gelijk, maar hun bevindingen werden slecht begrepen tot 1949, toen Alan Hodgkin en Andrew Huxley ontdekten hoe ionen elektrische signalen over zenuwcelmembranen helpen springen. Die doorbraak, waarvoor ze later een Nobelprijs wonnen, had een explosie van onderzoek moeten veroorzaken, waaronder het zoeken naar Ionische communicatie buiten het zenuwstelsel.
het hielp niet dat er geen manier was om de ionenstromen in vele andere soorten cellen in het lichaam te bestuderen zonder ze te doden, waardoor de processen die worden bestudeerd, werden gedoofd. Dat wil zeggen, tot 1976, toen Erwin Neher en Bert Sakmann een instrument ontwikkelden om precies dat te doen—wetenschappers in staat stellen om individuele ionen te zien drijven in en uit neuronen. Zij gebruikten hun “flard clamp” techniek om de kanalen te ontdekken die ionen toestaan om celmembranen te doordringen.
onder de huid
de jacht op bio-elektrische communicatie was op, en genetica ging van bio-elektrische aartsvijand naar haar beste vriend. Wetenschappers konden nu cellen klonen met en zonder bepaalde ionenkanalen en zien wat er gebeurde. Dat leidde snel tot de herontdekking van bio-elektrische signalen in vele soorten cellen buiten het zenuwstelsel.
een van de vroegste waren huidcellen, die een elektrisch veld genereren wanneer ze gewond raken. Je kunt deze zogenaamde blessurestroom zelf voelen: bijt hard op je wang en leg er dan je tong op. Je zult een tinteling voelen. Dat ben jij die de spanning voelt. De wondstroom roept naar het omliggende weefsel, het aantrekken van helpers zoals helende middelen, macrofagen om de rommel op te ruimen, en collageen-wevende reparatie cellen genaamd fibroblasten.
maar deze stroom was moeilijk te meten tot een paar jaar geleden-de fragiele, ultra-gevoelige apparaten die in staat waren om de ionen te identificeren die in en uit cellen stromen, konden niet worden verstoord en zouden niet werken op een droge omgeving zoals de huid. Maar in 2012 creëerde Richard Nuccitelli een niet-invasief apparaat dat de huid kon behandelen, waardoor menselijke letselstromen nauwlettend konden worden gevolgd. Hij ontdekte dat het pieken bij letsel, afneemt als de wond heelt, en keert terug naar ondetecteerbaar wanneer de genezing is voltooid.Maar interessant genoeg vond hij ook dat mensen met een zwakke letselstroom langzamer genezen dan mensen met een luidere letselstroom.”Nog interessanter: Wondstroomsterkte neemt af met de leeftijd, het uitzenden van een signaal dat is slechts de helft zo sterk in 65-plussers als in jonger dan 25.
dit heeft geleid tot een sterke interesse in het gebruik van de natuurlijke elektriciteit van ons lichaam om wondgenezing te versnellen of te verbeteren. Ann Rajnicek van de Universiteit van Aberdeen heeft ontdekt dat als ze kanaalblokkerende geneesmiddelen gebruikt om natriumionen te remmen, en daardoor de elektrische signalen die door de wondstroom bij ratten worden verzonden, hun wonden langer duurde om te genezen.
zou het tegenovergestelde waar kunnen zijn? Kan het versterken van het natuurlijke elektrische veld van de huid de genezingstijden verminderen, of zelfs de genezing van wonden mogelijk maken die extreem resistent zijn tegen genezing?
recente studies geven aan dat het antwoord ja is. Misschien wel de meest schrijnende soorten wonden zijn ernstige bed zweren, die maanden tot jaren kan duren om te genezen (als ze genezen helemaal) en aanval weefsel, spier, en bot diep onder de huid. Twee recente meta-analyses concludeerden dat het versterken van de natuurlijke wondstroom met elektrische stimulatie verhinderde dat ze allemaal erger werden, en zelfs enkele van de ergste volledig genas. Elektrische stimulatie verdubbelt bijna hun genezing. Evenzo zijn intrigerende resultaten verkregen voor niet-genezende diabetische wonden – het soort dat leidt tot de amputatie van ledematen, die meestal binnen een paar jaar tot de dood leidt.
het effect is ook niet beperkt tot de huid. Een groeiende hoeveelheid bewijs in de afgelopen decennia suggereert dat dezelfde soort elektrische stimulatie de genezing van botbreuken kan versnellen—wat relevant kan zijn voor de behandeling of zelfs het voorkomen van osteoporose. Er is zelfs groeiend bewijs dat dezelfde cellulaire elektrische mechanismen kunnen worden gebruikt om letsel aan de wervelkolom op te lossen.
de toekomst van bio-elektriciteit
dus waarom wordt niet door elke chirurg op elke wond elektrische stimulatie gebruikt?Uit een recente studie bleek dat het idee dat elektriciteit relevant is in de biologie nog te nieuw en contra-intuïtief is voor brede acceptatie. En zelfs als clinici er van gehoord hebben, weten ze niet hoe ze het moeten gebruiken: er zijn geen bestaande richtlijnen die het huidige type (direct? afwisselend?) of de parameters (hoe lang moet het worden toegepast? hoe sterk moet het zijn?). Zelfs de gereedschappen zijn niet gestandaardiseerd. Het is geen wonder dat bij gebrek aan duidelijke aanbevelingen, therapeuten liever hun toevlucht nemen tot antibiotica in plaats van verantwoordelijkheid te nemen voor deze intimiderende set van opties.
bovendien klagen onderzoekers in veel van de klinische proeven dat de kit, met zijn elektroden en krachtbronnen, te omslachtig is, de natuurlijke beweging beperkt en de naleving van de patiënt in de weg staat. Maar dit is misschien niet veel langer een probleem. Veel laboratoria en particuliere bedrijven werken nu aan bio-elektrische wondverbanden-polyester of andere substraten geïmpregneerd met zilver en andere biologisch actieve stoffen die worden geactiveerd door de “wondvloeistof” en versterken de natuurlijke wondstroom. Toekomstige versies kunnen een sterkere lading dragen.Eind vorig jaar ontwikkelde een gezamenlijk Amerikaans-Chinees team van de Universiteit van Wisconsin en de Universiteit van Huazhong een draagbare nanogenerator die in het verband kon worden geschoven om het versterkende elektrische veld te genereren uit dagelijkse bewegingen van de drager. Ratten die dit verband droegen, hadden gemiddeld drie dagen nodig om te genezen; de ratten die dat niet deden, namen er twaalf.
het kan zelfs mogelijk zijn om de wondstroom te versterken zonder elektrische stimulatie. Dit is belangrijk voor blessures waar je niet nodig wilt elektriciteit of een verband toe te passen, zoals oogletsel. Min Zhao van de Universiteit van Californië, Davis, toonde aan dat scheuren in het hoornvlies sneller genezen wanneer bepaalde ionenkanalen worden gemanipuleerd met eenvoudige oogdruppels om de grootte van de wond stromen te verhogen—bio-elektriciteit zonder de elektriciteit.
het verband tussen kanker en elektriciteit
als het hart en de geest van artsen kunnen worden gewonnen, is wondgenezing waarschijnlijk de meest directe klinische toepassing van bio-elektrisch onderzoek. Maar wat we de komende 10 jaar kunnen verwachten is meer duidelijkheid over hoe individuele cellen elektrische communicatie gebruiken om samen te werken in dienst van het lichaam als geheel.
kanker wordt een wond genoemd die niet geneest. Er zijn veel overeenkomsten. Bijvoorbeeld, nieuwe bloedvaten vormen zowel als wonden genezen en als cellen kwaadaardig worden, en er zijn veranderingen in elektrische signalen in beide gevallen. Het verschil is dat bij kanker de signalen nooit stoppen.
zoals Langman en Burr in de jaren 1920 vermoedden, kunnen kanker worden gedetecteerd door hun verstoring van wijd verspreide bio—elektrische eigenschappen van de lichaamsverstoringen die kunnen worden opgespoord op locaties ver van de tumor zelf. Burr toonde aan dat als je een tumor in een dier implanteert, de elektrische signalen van het lichaam vrijwel onmiddellijk in de war zouden raken.
kanker begint steeds meer te worden gezien als een gebrek aan communicatie; een verkeerde regulering van het gebied van informatie dat de activiteiten van individuele cellen orkestreert om te functioneren als onderdeel van een normaal levend systeem. Individuele cellen “vergeten” dat ze deel uitmaken van een groter geheel en behandelen de rest van het lichaam als een omgeving waarvan de hulpbronnen kunnen worden benut om zichzelf te voeden.
dit is een grote afwijking van de mainstream visie, die decennialang stelde dat wat een gezonde cel verandert in een kankercel gewoon de accumulatie van genetische schade is. Mutaties, het verhaal ging, leiden tot onbeperkte proliferatie.
maar wat als er meer was in dit verhaal? Michael Levin van Tufts University was een van de vroegste om zich af te vragen of het onvermogen van een cel om normaal te communiceren met het patroon netwerken van het lichaam was ook relevant voor het gedrag van kanker.
er is steeds meer bewijs dat dit het geval is. De elektrische velden die worden gegenereerd door ionen die over huid of orgaanweefsel pompen, sturen signalen naar cellen om migratie te beginnen, wat ook cruciaal is bij kanker die zich rond het lichaam verspreidt. Mustafa Djamgoz aan het Imperial College London heeft de rol van een bepaald soort natriumkanaal bij borst-en prostaatkanker onderzocht. Deze verspreiden zich in kankercellen, waardoor ze meer elektrisch actief zijn dan de normale controlemechanismen van het lichaam kunnen beheren. Dergelijke cellen vallen dan andere weefsels binnen en metastaseren.
het is niet alleen metastase waar bio-elektrische signalen bij betrokken zijn. Frankie Rawson van de Universiteit van Nottingham heeft ontdekt dat een ander soort biologisch gegenereerde stroom belangrijk is bij kanker door energieherprogrammering mogelijk te maken—een ander belangrijk aspect van kanker.
kan kanker worden teruggedraaid door de bio-elektrische gesprekken tussen cellen te controleren? In 2013, toonde de groep van Levin aan dat zij sommige tumors in kikkervisjes konden verhinderen of omkeren door drugs te gebruiken om hun bio-elektrische signalering te richten. Dezelfde medicijnen kunnen kanker op afstand in-en uitschakelen, door het milieu te behandelen, niet de cellen zelf. In 2016 herstelden ze normale bio-elektrische signalen bij kikkervisjes met tumoren. Deze waren gegroeid, verspreid en vormden hun eigen bloedtoevoer, totdat Levin nieuwe, licht-geactiveerde ionenkanalen met gentherapie toevoegde. Dat zorgde ervoor dat de cellen zich niet meer oncontroleerbaar verdeelden—in feite keerden ze terug naar een gezonde toestand nadat de tumoren zich al hadden gevormd. De cellen erin zijn gewoon gestopt kankercellen te zijn.
deze aanpak zou problematisch zijn bij mensen, omdat gentherapie experimenteel blijft, maar Levin werkt om zijn resultaten te herhalen met geneesmiddelen die zijn goedgekeurd voor andere aandoeningen.Wondgenezing lijkt op het soort regeneratie waarvoor salamanders beroemd zijn.
het repareren van een kapot bio-elektrisch communicatiesysteem kan nog dramatischer resultaten opleveren. Levin streefde ernaar om catastrofale misvormingen in kikkervisjes om te keren die waren blootgesteld aan het equivalent van zwaar roken of alcoholgebruik tijdens de menselijke zwangerschap—die beide embryonale defecten veroorzaken door te interfereren met bio-elektrische signalen die worden verzonden door de ontwikkeling van foetale cellen. Na een enkel tweedaags bad in een wijd beschikbaar ionenkanaaldrug, herschikt de kikkervisjes zich en groeide als normaal. De implicatie is dat de wanorde zoals foetaal alcoholsyndroom en andere geboortetekorten uiteindelijk reversibel in mensen zou kunnen zijn.
de bredere implicatie is nog steeds dat we binnen het volgende decennium genoeg zouden kunnen leren over bio-elektriciteit om de manier waarop celnetwerken communiceren te veranderen en beslissingen te nemen over hoe ze groeien en zich ontwikkelen. Nieuwe computationele modelleringstools zullen hier een belangrijke factor zijn. Onderzoekers waaronder Levin gebruiken deze nu om hen precies te vertellen welke kanalen moeten worden getweaked om gewenste veranderingen in grotere elektrische circuits (en dus fysieke veranderingen) te produceren.Uiteindelijk lijkt wondgenezing op het soort regeneratie waarvoor salamanders beroemd zijn—en Levin heeft in verschillende experimenten aangetoond dat ledematen en staarten kunnen worden geregenereerd door bio-elektrische tweaken, zelfs bij soorten zoals kikkers die er niet van nature voor vatbaar zijn. Dit verhoogt het vooruitzicht van toekomstige behandelingen die gewoon het verwijderen van een getroffen lichaamsdeel en hergroei.
de schakelaar omdraaien
het is duidelijk dat er een groot aantal hindernissen moeten worden opgeruimd voordat we kanker in omgekeerde richting gaan plaatsen, ledematen afhakken of vitale organen afsnijden en nieuwe organen kweken. Menselijke proeven zullen moeilijk zijn om uit te voeren, en een cel is een duivels ingewikkelde omgeving met veel variabelen om bij te houden: experimenten in het manipuleren van het bio-elektrische veld hebben aangetoond dat er nog steeds veel gaten te worden gedicht.
niettemin blijven we meer ontdekken over hoe betrokken en Verbonden onze cellulaire communicatienetwerken zijn, in en door alle cellen. Vorig jaar ontdekte Djamgoz dat het onderdrukken van zijn natriumkanalen met een medicijn de uitzaaiingen bij ratten met prostaatkanker kon stoppen. Hij heeft al een patent aangevraagd om voltage-gated natriumkanaalblokkers te hergebruiken als anti-metastatische medicijnen.
wat pas in de afgelopen tien jaar duidelijk is geworden, is de mogelijkheid om de mededeling aan te boren, aan te vullen en te onderbreken. In het volgende decennium kunnen we snel vooruitgang boeken als we ons hoofd rond het idee krijgen dat ons lichaam minstens zo elektrisch is als chemisch of mechanisch. Voor een deel gaat dat verder dan alleen maar begrijpen welke effecten de bio-elektrische signalen hebben om te begrijpen wat ze eigenlijk betekenen. Computationele modellen die suggereren welke ionenkanaal tweaks corresponderen met welke fysieke veranderingen zullen alleen maar preciezer worden als computing krachtiger wordt. Onderzoekers beginnen de kloof te overbruggen tussen disciplines—biofysica, engineering of moleculaire biologie—die de vooruitgang op dit gebied lang hebben gefrustreerd.
de droom is om binnen 10 of 20 jaar deze inzichten te gebruiken om de elektrische eigenschappen van biologische weefsels te profileren op dezelfde manier als we de genetische basis ervan hebben geprofileerd—dat wil zeggen, om het menselijke “elektrome” te voltooien en het vervolgens te gebruiken om de menselijke bio-elektrische code te kraken.Na bijna een eeuw van verwaarlozing en stagnatie heeft de wetenschap van de bio-elektriciteit eindelijk een keerpunt bereikt: We zijn klaar om de bio-elektrische code te kraken.
dit essay is gebaseerd op een finalist in Nesta ‘ s Tipping Point Prize. Lees hier alle essays.