każdy twój ruch, percepcja i myśl są kontrolowane przez elektryczność.
jeśli wydaje ci się to mało prawdopodobne, to prawdopodobnie dlatego, że zakładasz elektryczność, a ludzkie ciało się nie miesza. Ale tak jak sygnały elektryczne stanowią podstawę sieci komunikacyjnych świata, odkrywamy, że robią to samo w naszych ciałach: Bioelektryczność to sposób, w jaki nasze komórki komunikują się ze sobą.
dzięki bardziej czułym instrumentom, lepszym technikom pomiaru naszej wrodzonej elektryczności na poziomie komórkowym, a w konsekwencji głębszemu zrozumieniu tych procesów komórkowych, możemy teraz zrobić o wiele więcej, aby zinterpretować, przerwać lub przekierować te sygnały komunikacyjne. Aplikacje są niezliczone, ale szczególnie obiecujące i natychmiastowe do mocowania ciała, gdy idzie źle, czy to z powodu urazu, wad wrodzonych, lub raka. Rodzaje poprawek możliwe dzięki interwencjom bioelektrycznym są wręcz szokujące.
elektryczność ciała
Bioelektryczność nie jest rodzajem elektryczności, która włącza światła po naciśnięciu przełącznika. Ten rodzaj elektryczności opiera się na elektronach: ujemnie naładowanych cząstkach płynących prądem. Ludzkie ciało-w tym mózg-działa na zupełnie innej wersji: ruchy głównie dodatnio naładowanych jonów pierwiastków, takich jak potas, sód i wapń.
w ten sposób wszystkie sygnały podróżują wewnątrz i między mózgiem a każdym organem i czynnikiem percepcji, ruchu i poznania. To podstawa naszej zdolności do myślenia, mówienia i chodzenia. Okazuje się, że odgrywa to również dużą rolę w tym, jak nasze komórki mówią sobie nawzajem, że systemy, w których przebywają, są zdrowe—lub nie.
to nie zawsze było oczywiste. Na przykład Louis Langman wyprzedzał swoje czasy. Pracując w latach dwudziestych w Nowym Jorku, zaoferował pacjentom na swoim oddziale w Bellevue Gynecological Service niezwykłą diagnostykę raka: dwie elektrody, jedna umieszczona w kanale pochwy, a druga w łonie. Pozwoliło mu to zmierzyć gradient napięcia elektrycznego między szyjką macicy a brzuszną ścianą brzucha. Jeśli Langman wykrył wyraźną zmianę w tym gradiencie, zaproponował kobiecie laparotomię, aby sprawdzić, czy jego podejrzenia były uzasadnione.
technika była zaskakująco skuteczna. Spośród 102 przypadków, w których fluktuacje wykazały znaczne przesunięcie gradientu napięcia, 95 zostało potwierdzonych na nowotwory złośliwe. Dokładne lokalizacje raka różniły się, ale często były one identyfikowane, zanim kobieta doświadczyła oczywistych objawów.
Langman i jego współautor, anatom z Yale Harold Saxton Burr, należeli do niewielkiej grupy naukowców badających właściwości elektryczne ludzkiej tkanki. Wierzyli, że wszystkie żywe istoty—od myszy przez ludzi po rośliny—są formowane i kontrolowane przez pola elektryczne, które można mierzyć i mapować za pomocą standardowych woltomierzy.
Langman i Burr mieli rację, ale ich odkrycia były słabo poznane aż do 1949 roku, kiedy Alan Hodgkin i Andrew Huxley odkryli, jak jony pomagają sygnałom elektrycznym przeskakiwać przez błony komórek nerwowych. Ten przełom, za który później otrzymali Nagrodę Nobla, powinien wywołać eksplozję badań, w tym poszukiwania komunikacji jonowej poza układem nerwowym.
ale nie wcześniej Hodgkin i Huxley odkryli ten mechanizm, niż został przyćmiony przez kolejny przełom: w 1953 James Watson i Francis Crick ogłosili, że odkryli podwójną strukturę helisy DNA. Cała dyscyplina biologii szybko zreorganizowała się wokół genów. Bioelektryczność została zdegradowana do niszy w neuronauce.
nie pomogło to, że nie było sposobu na badanie przepływu jonów w wielu innych typach komórek w organizmie bez ich zabijania, a tym samym wygaszania samych badanych procesów. Do 1976 roku, kiedy Erwin Neher i Bert Sakmann opracowali narzędzie, które umożliwiło naukowcom obserwowanie pojedynczych jonów dryfujących do i z neuronów. Wykorzystali technikę „patch clamp”, aby odkryć kanały, które umożliwiają przenikanie jonów do błon komórkowych.
pod skórą
zaczęło się polowanie na bioelektryczną komunikację, a genetyka stała się jej najlepszym przyjacielem. Naukowcy mogli teraz klonować komórki z określonymi kanałami jonowymi i bez nich i zobaczyć, co się stało. Doprowadziło to szybko do ponownego odkrycia bioelektrycznej sygnalizacji w wielu rodzajach komórek poza układem nerwowym.
jednym z najwcześniejszych były komórki skóry, które generują pole elektryczne po urazie. Sam możesz poczuć ten tak zwany uraz: ugryź mocno policzek, a następnie połóż na nim język. Poczujesz mrowienie. To Ty wyczuwasz napięcie. Prąd rany wzywa do otaczającej tkanki, przyciągając pomocników, takich jak środki lecznicze, makrofagi, aby zmyć bałagan, i tkanie kolagenu komórki naprawcze zwane fibroblastami.
ale ten prąd był trudny do zmierzenia jeszcze kilka lat temu—delikatne, ultra-czułe urządzenia, które były w stanie zidentyfikować jony przepływające i wychodzące z komórek, nie mogły zostać zakłócone i nie działały na suchym środowisku, takim jak skóra. Jednak w 2012 roku Richard Nuccitelli stworzył nieinwazyjne urządzenie, które mogłoby radzić sobie ze skórą, umożliwiając ścisłe monitorowanie prądów urazów u ludzi. Odkrył, że osiąga szczyt przy urazie, zanika w miarę gojenia się rany i powraca do stanu niewykrywalnego po zakończeniu gojenia.
ale co ciekawe, odkrył również, że ludzie, których prąd urazu był słaby, leczyli się wolniej niż ludzie, których prąd urazu był „głośniejszy.”Jeszcze bardziej interesujące: siła prądu rany zmniejsza się z wiekiem, emitując sygnał, który jest tylko o połowę silniejszy w wieku powyżej 65 lat, jak w wieku poniżej 25 lat.
doprowadziło to do wzrostu zainteresowania wykorzystaniem naturalnej energii elektrycznej naszego ciała, aby przyspieszyć lub poprawić gojenie się ran. Ann Rajniczek z Uniwersytetu w Aberdeen odkryła, że jeśli użyła leków blokujących kanały, aby hamować jony sodu, a tym samym zakłócać sygnały elektryczne wysyłane przez prąd rany u szczurów, ich rany goją się dłużej.
czy może być odwrotnie? Czy wzmocnienie naturalnego pola elektrycznego skóry może skrócić czas gojenia, a nawet pozwolić na gojenie się ran, które są w ogóle wyjątkowo odporne na gojenie?
ostatnie testy wskazują, że odpowiedź brzmi „tak”. Być może najbardziej wstrząsające rodzaje ran są ciężkie odleżyny, które mogą trwać od miesięcy do lat, aby leczyć (jeśli leczą się w ogóle) i atakują tkankę, mięśnie i kości głęboko pod skórą. Dwie ostatnie metaanalizy wykazały, że wzmocnienie naturalnego prądu rany za pomocą stymulacji elektrycznej zapobiegło ich pogorszeniu, a nawet całkowicie wyleczyło niektóre z najgorszych. Elektryczna stymulacja prawie podwaja ich gojenie. Podobnie intrygujące wyniki uzyskano w przypadku nie gojących się ran cukrzycowych-takich, które prowadzą do amputacji kończyn, co zwykle prowadzi w ciągu kilku lat do śmierci.
efekt nie jest ograniczony do skóry. Coraz więcej dowodów w ciągu ostatnich kilku dekad sugeruje, że ten sam rodzaj stymulacji elektrycznej może przyspieszyć gojenie się złamań kości—co może być istotne w leczeniu lub nawet zapobieganiu osteoporozie. Istnieje nawet coraz więcej dowodów na to, że te same komórkowe mechanizmy elektryczne można wykorzystać do leczenia urazów kręgosłupa.
przyszłość bioelektryczności
dlaczego więc stymulacja elektryczna nie jest stosowana przez każdego chirurga na każdej ranie?
ostatnie badania wykazały, że idea elektryczności jest istotna w biologii nadal jest zbyt nowatorska i sprzeczna z intuicją, aby uzyskać szeroką akceptację. I nawet jeśli lekarze słyszeli o tym, nie wiedzą, jak z niego korzystać: żadne istniejące wytyczne nie określają ani bieżącego typu (bezpośredniego? na przemian?) lub parametry (jak długo należy je stosować? jak silny powinien być?). Nawet narzędzia nie są znormalizowane. Nic dziwnego, że w przypadku braku jasnych zaleceń terapeuci wolą uciekać się do antybiotyków, niż brać odpowiedzialność za ten zastraszający zestaw opcji.
ponadto w wielu badaniach klinicznych naukowcy skarżą się, że zestaw z elektrodami i źródłami zasilania jest zbyt uciążliwy, ogranicza naturalny ruch i przeszkadza pacjentowi w przestrzeganiu przepisów. Ale to może nie być problemem na długo. Wiele laboratoriów i firm prywatnych pracuje obecnie nad bioelektrycznymi opatrunkami ran-poliestrowymi lub innymi podłożami impregnowanymi srebrem i innymi biologicznie aktywnymi środkami, które są aktywowane przez „płyn ranowy” i wzmacniają naturalny prąd rany. Przyszłe wersje mogą mieć mocniejszy ładunek.
pod koniec zeszłego roku wspólny amerykańsko-chiński zespół z Uniwersytetu Wisconsin i Uniwersytetu Huazhong opracował nadający się do noszenia nanogenerator, który można wsunąć do konstrukcji bandaża, aby wygenerować rozszerzające się pole elektryczne z codziennych ruchów użytkownika. Szczury, które nosiły ten bandaż, leczyły się średnio trzy dni; te, które nie zajęły 12.
możliwe jest nawet zwiększenie prądu rany bez stymulacji elektrycznej. Jest to ważne w przypadku urazów, w których nie trzeba stosować energii elektrycznej lub bandaż, takich jak urazy oczu. Min Zhao z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis wykazał, że rozdarcia w rogówce goją się szybciej, gdy pewne kanały jonowe są manipulowane prostymi kroplami do oczu, aby zwiększyć rozmiar prądów rany—bioelektryczność bez elektryczności.
związek między rakiem a elektrycznością
jeśli serca i umysły lekarzy można zdobyć, gojenie się ran jest prawdopodobnie najpilniejszym klinicznym zastosowaniem badań bioelektrycznych. Ale to, czego możemy się spodziewać w ciągu najbliższych 10 lat, to większa jasność na temat tego, jak poszczególne komórki wykorzystują komunikację elektryczną do współpracy w służbie ciała jako całości.
rak nazywa się raną, która się nie Goji. Jest wiele podobieństw. Na przykład nowe naczynia krwionośne tworzą się zarówno w miarę gojenia się ran, jak i gdy komórki stają się złośliwe, a w obu przypadkach dochodzi do zmian sygnałów elektrycznych. Różnica polega na tym, że w przypadku raka sygnały nigdy się nie zatrzymują.
jak podejrzewali Langman i Burr w latach 20.XX wieku, nowotwory można wykryć przez zakłócenie szeroko rozpowszechnionych właściwości bioelektrycznych ciała—zakłócenia wykrywalne w miejscach daleko od samego guza. Burr pokazał, że jeśli wszczepisz guz zwierzęciu, sygnał elektryczny jego ciała niemal natychmiast zacznie wariować.
rak zaczyna być coraz częściej postrzegany jako niepowodzenie komunikacji; błędna Regulacja pola informacji, która koordynuje działania poszczególnych komórek w kierunku funkcjonowania jako część normalnego systemu życia. Poszczególne komórki „zapominają”, że są częścią większej całości i traktują resztę ciała jako środowisko, którego zasoby można wykorzystać do samodzielnego wyżywienia.
jest to duże odejście od głównego nurtu, który przez dziesięciolecia utrzymywał, że to, co zmienia zdrową komórkę w komórkę nowotworową, jest po prostu nagromadzeniem uszkodzeń genetycznych. Mutacje, historia poszła, prowadzą do nieograniczonej proliferacji.
ale co jeśli w tej historii było coś więcej? Michael Levin z Tufts University był jednym z pierwszych, którzy zastanawiali się, czy niezdolność komórki do normalnego komunikowania się z sieciami wzorcowymi ciała była również istotna dla zachowania raka.
Pola elektryczne generowane przez jony pompujące przez skórę lub tkankę narządów wysyłają sygnały do komórek, aby rozpocząć migrację, co jest również kluczowe w rozprzestrzenianiu się raka w organizmie. Mustafa Djamgoz z Imperial College London badał rolę szczególnego rodzaju kanału sodowego w raku piersi i prostaty. Rozmnażają się one w komórkach nowotworowych, czyniąc je bardziej aktywnymi elektrycznie niż normalne mechanizmy kontrolne organizmu. Takie komórki następnie atakują inne tkanki i przerzuty.
nie chodzi tylko o przerzuty, w które zaangażowane są sygnały bioelektryczne. Frankie Rawson z Uniwersytetu w Nottingham odkrył, że inny rodzaj biologicznie generowanego prądu jest ważny w raku, umożliwiając przeprogramowanie energii—kolejny kluczowy aspekt raka.
czy można odwrócić raka kontrolując bioelektryczne rozmowy między komórkami? W 2013 grupa Levina wykazała, że mogą zapobiegać lub odwracać niektóre guzy kijanek, używając leków do celowania w ich bioelektryczną sygnalizację. Te same leki mogą włączać i wyłączać raka na odległość, poprzez leczenie środowiska, a nie samych komórek. W 2016 przywrócili normalną sygnalizację bioelektryczną u żabich kijanek z guzami. Rosły, rozprzestrzeniały się i tworzyły własny dopływ krwi, dopóki Levin nie dodał nowych, aktywowanych światłem kanałów jonowych z terapią genową. Spowodowało to, że komórki przestały się niekontrolowanie dzielić-w rzeczywistości powróciły do stanu zdrowego po uformowaniu się guzów. Komórki wewnątrz nich po prostu przestały być komórkami nowotworowymi.
takie podejście byłoby problematyczne u ludzi, ponieważ terapia genowa pozostaje eksperymentalna, ale Levin pracuje nad powtórzeniem swoich wyników z lekami zatwierdzonymi na inne dolegliwości.
Naprawa uszkodzonego systemu komunikacji bioelektrycznej może przynieść jeszcze bardziej dramatyczne wyniki. Levin miał na celu odwrócenie katastroficznych deformacji kijanek, które były poddawane ciężkiemu paleniu lub spożywaniu alkoholu podczas ciąży-z których oba powodują defekty embrionalne poprzez zakłócanie sygnałów bioelektrycznych wysyłanych przez rozwijające się komórki płodowe. Po jednej dwudniowej kąpieli w powszechnie dostępnym leku jonowym, kijanki przestawiły się i rosły normalnie. Implikacja polega na tym, że zaburzenia takie jak zespół alkoholowy płodu i inne wady wrodzone mogą ostatecznie być odwracalne u ludzi.
szersza implikacja nadal polega na tym, że w ciągu następnej dekady moglibyśmy dowiedzieć się wystarczająco dużo o bioelektryczności, aby zmienić sposób komunikacji sieci komórkowych i podejmować decyzje dotyczące ich wzrostu i rozwoju. Nowe narzędzia do modelowania obliczeniowego będą tu głównym czynnikiem. Naukowcy, w tym Levin, używają ich teraz, aby powiedzieć im dokładnie, które kanały należy zmodyfikować, aby wywołać pożądane zmiany w większych obwodach elektrycznych (a tym samym zmiany fizyczne).
ostatecznie, gojenie się ran wygląda raczej jak rodzaj regeneracji, z której słyną salamandry-i rzeczywiście, Levin udowodnił w kilku eksperymentach, że kończyny i ogony mogą być regenerowane przez manipulowanie bioelektryczne, nawet u gatunków takich jak żaby, które nie są do tego naturalnie predysponowane. Stwarza to perspektywę przyszłych zabiegów, które polegają po prostu usunięcie dotkniętej części ciała i jej regeneracji.
Przerzucanie przełącznika
wyraźnie, istnieje wiele przeszkód do usunięcia, zanim zaczniemy wprowadzać raka do tyłu, odcinając kończyny lub wycinając ważne organy i hodując nowe. Próby na ludziach będą trudne do przeprowadzenia, a komórka jest diabelsko skomplikowanym środowiskiem z wieloma zmiennymi do śledzenia: eksperymenty w manipulowaniu polem bioelektrycznym wykazały, że nadal istnieje wiele luk, które należy zatkać.
niemniej jednak wciąż odkrywamy więcej o tym, jak zaangażowane i połączone są nasze sieci komunikacji komórkowej we wszystkich komórkach. W zeszłym roku Djamgoz odkrył, że tłumienie jego poszczególnych kanałów sodowych za pomocą leku może zatrzymać przerzuty u szczurów z rakiem prostaty. Złożył już patent na zmianę przeznaczenia blokerów kanału sodowego z bramkami napięciowymi jako leków przeciw przerzutom.
to, co dopiero w ostatniej dekadzie stało się jasne, to możliwość podłączenia się do komunikacji, jej wzmocnienia i przerwania. W następnej dekadzie możemy zrobić szybki postęp, jeśli uda nam się zrozumieć, że nasze ciała są co najmniej tak samo elektryczne, jak chemiczne czy mechaniczne. Po części chodzi o wyjście poza zwykłe zrozumienie, jaki wpływ mają sygnały bioelektryczne, aby zrozumieć, co tak naprawdę oznaczają. Modele obliczeniowe, które sugerują, które zmiany kanału jonowego odpowiadają, z którymi zmiany fizyczne będą bardziej precyzyjne, gdy przetwarzanie stanie się bardziej wydajne. Naukowcy zaczynają wypełniać luki między dyscyplinami-biofizyką, inżynierią czy biologią molekularną-które od dawna udaremniają postęp w tej dziedzinie.
marzeniem, w ciągu 10 czy 20 lat, jest wykorzystanie tych spostrzeżeń do profilowania właściwości elektrycznych tkanek biologicznych w taki sam sposób, w jaki profilowaliśmy ich genetyczną podstawę—to znaczy, aby wypełnić ludzki „elektrom”, a następnie użyć go do złamania ludzkiego kodu bioelektrycznego.
po prawie stuleciu zaniedbań i stagnacji nauka o bioelektryczności w końcu osiągnęła punkt zwrotny: Jesteśmy gotowi do złamania kodu bioelektrycznego.
ten esej został zaadaptowany z finalisty w Tipping Point Prize Nesty. Przeczytaj wszystkie eseje tutaj.