fiecare mișcare, percepție și gând sunt controlate de electricitate.
dacă acest lucru vi se pare puțin probabil, este probabil pentru că vă asumați electricitatea și corpul uman nu se amestecă. Dar, la fel cum semnalele electrice stau la baza rețelelor de comunicații ale lumii, descoperim că acestea fac același lucru în corpurile noastre: Bioelectricitatea este modul în care celulele noastre comunică între ele.
datorită instrumentelor mai sensibile, tehnicilor mai bune de măsurare a electricității noastre înnăscute la nivel celular și o înțelegere mai profundă a acestor procese celulare, putem face acum mult mai mult pentru a interpreta, întrerupe sau redirecționa acele semnale de comunicare. Aplicațiile sunt nenumărate, dar mai ales promițătoare și imediate pentru fixarea corpului atunci când merge prost, fie din cauza traumei, a defectelor la naștere sau a cancerului. Tipurile de remedieri activate de intervențiile bioelectrice sunt de-a dreptul șocante.
corpul electric
Bioelectricitatea nu este tipul de energie electrică care se aprinde luminile atunci când scutura comutatorul. Acest tip de electricitate se bazează pe electroni: particule încărcate negativ care curg într-un curent. Corpul uman—inclusiv creierul-rulează pe o versiune foarte diferită: mișcările ionilor încărcați în mare parte pozitiv de elemente precum potasiu, sodiu și calciu.
acesta este modul în care toate semnalele călătoresc în interiorul și între creier și fiecare organ și agent de percepție, mișcare și cunoaștere. Este fundamental pentru capacitatea noastră de a gândi, de a vorbi și de a merge. Și se pare că, de asemenea, joacă un rol important în modul în care celulele noastre își spun reciproc sistemele în care locuiesc sunt sănătoase—sau nu.
acest lucru nu a fost întotdeauna evident. Louis Langman, de exemplu, a fost înaintea timpului său. Lucrând în anii 1920 în New York, el a oferit pacienților din secția sa de la Serviciul ginecologic Bellevue un diagnostic neobișnuit pentru cancer: doi electrozi, unul plasat în canalul vaginal și altul pe pubis. Acestea i-au permis să măsoare gradientul de tensiune electrică dintre colul uterin și peretele abdominal ventral. Dacă Langman a detectat o schimbare marcată în acest gradient, i-a oferit femeii o laparotomie pentru a verifica dacă suspiciunile sale erau justificate.
tehnica a fost surprinzător de eficientă. Din cele 102 cazuri în care fluctuațiile au evidențiat o schimbare semnificativă a gradientului de tensiune, 95 au fost confirmate ca având tumori maligne. Locațiile exacte ale cancerului au variat, dar au fost adesea identificate înainte ca femeia să fi prezentat simptome evidente.
Langman și coautorul său, anatomistul de la Yale Harold Saxton Burr, s-au numărat printre o mică clică de oameni de știință care investighează proprietățile electrice ale țesutului uman. Ei credeau că toate ființele vii—de la șoareci la oameni și plante—sunt modelate și controlate de câmpuri electrice care pot fi măsurate și cartografiate cu voltmetre standard.
Langman și Burr au fost corecte, dar descoperirile lor au fost prost înțelese până în 1949, când Alan Hodgkin și Andrew Huxley au descoperit cum ionii ajută semnalele electrice să treacă prin membranele celulelor nervoase. Această descoperire, pentru care au câștigat ulterior un Premiu Nobel, ar fi trebuit să declanșeze o explozie de cercetări, inclusiv căutarea comunicării ionice dincolo de sistemul nervos.
dar nu mai devreme Hodgkin și Huxley au descoperit acest mecanism decât a fost eclipsat de o altă descoperire: în 1953, James Watson și Francis Crick au anunțat că au descoperit structura dublă helix a ADN-ului. Întreaga disciplină a biologiei s-a reorganizat rapid în jurul genelor. Bioelectricitatea a fost retrogradată într-o preocupare de nișă în cadrul neuroștiinței.
nu a ajutat faptul că nu a existat nicio modalitate de a studia fluxurile de ioni în multe alte tipuri de celule din corp fără a le ucide, stingând astfel chiar procesele studiate. Asta până în 1976, când Erwin Neher și Bert Sakmann au dezvoltat un instrument pentru a face acest lucru—permițând oamenilor de știință să urmărească ionii individuali care se deplasează în și din neuroni. Ei au folosit tehnica lor „patch clamp” pentru a descoperi canalele care permit ionilor să pătrundă în membranele celulare.
sub piele
vânătoarea de comunicare bioelectrice a fost pe, și genetica a trecut de la a fi nemesis bioelectricitate la cel mai bun prieten. Oamenii de știință ar putea acum să cloneze celule cu și fără canale ionice particulare și să vadă ce s-a întâmplat. Acest lucru a dus rapid la redescoperirea semnalizării bioelectrice în multe tipuri de celule dincolo de sistemul nervos.
una dintre cele mai vechi a fost celulele pielii, care generează un câmp electric atunci când sunt rănite. Puteți simți acest așa-numit curent de vătămare: mușcați-vă tare obrazul și apoi puneți-vă limba pe el. Vei simți o furnicătură. Tu simți tensiunea. Curentul plăgii apelează la țesutul din jur, atrăgând ajutoare precum agenți de vindecare, macrofage pentru a curăța mizeria și celule de reparare a țesutului de colagen numite fibroblaste.
dar acest curent a fost dificil de măsurat până acum câțiva ani—dispozitivele fragile, ultra-sensibile care erau capabile să identifice ionii care curg în și din celule nu puteau fi perturbate și nu ar funcționa într-un mediu uscat precum pielea. Dar în 2012, Richard Nuccitelli a creat un dispozitiv neinvaziv care ar putea face față pielii, permițând monitorizarea atentă a curenților de rănire umană. El a descoperit că atinge vârfurile la rănire, scade pe măsură ce rana se vindecă și revine la nedetectabil când vindecarea este completă.
dar, interesant, el a constatat, de asemenea, că oamenii al căror curent de rănire a fost slab vindecat mai lent decât oamenii al căror curent de rănire a fost „mai tare.”Mai interesant încă: puterea curentului plăgii scade odată cu vârsta, emițând un semnal care este doar pe jumătate la fel de puternic la peste 65 de ani ca la sub 25 de ani.
acest lucru a dus la o creștere a interesului pentru utilizarea electricității naturale a corpului nostru pentru a accelera sau îmbunătăți vindecarea rănilor. Ann Rajnicek de la Universitatea din Aberdeen a descoperit că, dacă a folosit medicamente care blochează canalele pentru a inhiba ionii de sodiu și, prin urmare, întrerupe semnalele electrice trimise de curentul plăgii la șobolani, rănile lor au durat mai mult pentru a se vindeca.
ar putea fi adevărat contrariul? Ar putea amplificarea câmpului electric natural al pielii să scadă timpul de vindecare sau chiar să permită vindecarea rănilor extrem de rezistente la vindecare?
studiile recente indică faptul că răspunsul este da. Poate că cele mai dureroase tipuri de răni sunt rănile severe ale patului, care pot dura luni până la ani pentru a se vindeca (dacă se vindecă deloc) și atacă țesutul, mușchiul și osul adânc sub piele. Două meta-analize recente au concluzionat că amplificarea curentului natural al plăgii cu stimulare electrică le-a împiedicat pe toate să se înrăutățească și chiar le-a vindecat complet pe unele dintre cele mai grave. Stimularea electrică aproape dublează vindecarea lor. În mod similar, s-au obținut rezultate interesante pentru rănile diabetice care nu vindecă—cele care duc la amputarea membrelor, care de obicei duce în câțiva ani la moarte.
nici efectul nu este limitat la piele. Un număr tot mai mare de dovezi din ultimele decenii sugerează că același tip de stimulare electrică poate accelera vindecarea fracturilor osoase—care pot fi relevante pentru tratarea sau chiar prevenirea osteoporozei. Există chiar și dovezi tot mai mari că aceleași mecanisme electrice celulare ar putea fi valorificate pentru a remedia leziunile coloanei vertebrale.
viitorul bioelectricității
deci, de ce stimularea electrică nu este folosită de fiecare chirurg pe fiecare rană?
un studiu recent a constatat că ideea că electricitatea este relevantă în biologie este încă prea nouă și contraintuitivă pentru o largă acceptare. Și chiar și atunci când medicii au auzit de ea, ei nu știu cum să-l folosească: nu există orientări existente specifica fie tipul actual (direct? alternativ?) sau parametrii (cât timp trebuie aplicat? cât de puternic ar trebui să fie?). Chiar și instrumentele nu sunt standardizate. Nu este de mirare că, în absența unor recomandări clare, terapeuții preferă să recurgă la antibiotice, mai degrabă decât să-și asume responsabilitatea pentru acest set de opțiuni intimidante.
în plus, în multe dintre studiile clinice, cercetătorii se plâng că kitul, cu electrozii și sursele sale de energie, este prea greoi, limitează mișcarea naturală și împiedică respectarea pacientului. Dar acest lucru nu poate fi o problemă pentru mult timp. Multe laboratoare și companii private lucrează acum la pansamente bioelectrice pentru răni-poliester sau alte substraturi impregnate cu argint și alți agenți biologic activi care sunt activați de „fluidul plăgii” și amplifică curentul natural al plăgii. Versiunile viitoare pot avea o sarcină mai puternică.
la sfârșitul anului trecut, o echipă comună SUA-chineză de la Universitatea din Wisconsin și Universitatea Huazhong a dezvoltat un nanogenerator Purtabil care ar putea fi alunecat în designul bandajului pentru a genera câmpul electric sporit din mișcările de zi cu zi ale purtătorului. Șobolanii care purtau acest bandaj au avut nevoie în medie de trei zile pentru a se vindeca; cei care nu au luat 12.
poate fi chiar posibilă îmbunătățirea curentului plăgii fără stimulare electrică. Acest lucru este important pentru leziunile în care nu este necesar doriți să aplicați electricitate sau un bandaj, cum ar fi leziunile oculare. Min Zhao de la Universitatea din California, Davis, a arătat că rupturile din cornee se vindecă mai repede atunci când anumite canale ionice sunt manipulate cu picături simple pentru ochi pentru a crește dimensiunea curenților plăgii—bioelectricitate fără electricitate.
legătura dintre cancer și electricitate
dacă inimile și mințile medicilor pot fi cucerite, vindecarea rănilor este probabil cea mai imediată aplicație clinică a cercetării bioelectrice. Dar ceea ce ne putem aștepta să vedem în următorii 10 ani este o mai mare claritate cu privire la modul în care celulele individuale folosesc comunicarea electrică pentru a coopera în serviciul corpului în ansamblu.
cancerul a fost numit o rană care nu se vindecă. Există multe asemănări. De exemplu, noi vase de sânge se formează atât pe măsură ce rănile se vindecă, cât și pe măsură ce celulele devin maligne și există modificări ale semnalelor electrice în ambele cazuri. Diferența este că în cancer, semnalele nu se opresc niciodată.
după cum au suspectat Langman și Burr în anii 1920, cancerele pot fi detectate prin întreruperea proprietăților bioelectrice distribuite pe scară largă ale corpului—perturbări detectabile în locații departe de tumora în sine. Burr a arătat că dacă implantezi o tumoare într-un animal, semnalizarea electrică a corpului său ar deveni aproape imediat nebună.
cancerul începe să fie privit din ce în ce mai mult ca un eșec al comunicării; o reglare greșită a câmpului de informații care orchestrează activitățile celulelor individuale pentru a funcționa ca parte a unui sistem de viață normal. Celulele individuale „uită” că fac parte dintr-un întreg mai mare și tratează restul corpului ca pe un mediu ale cărui resurse pot fi exploatate pentru a se hrăni.
aceasta este o mare abatere de la viziunea principală, care de zeci de ani a susținut că ceea ce transformă o celulă sănătoasă într-o celulă canceroasă este pur și simplu acumularea de daune genetice. Mutațiile, povestea a mers, duc la proliferare nelimitată.
dar dacă ar exista mai mult în această poveste? Michael Levin de la Universitatea Tufts a fost printre primii care s-au întrebat dacă incapacitatea unei celule de a comunica în mod normal cu rețelele de modelare ale corpului a fost, de asemenea, relevantă pentru comportamentul cancerului.
există dovezi tot mai mari că este cazul. Câmpurile electrice generate de ionii care pompează peste piele sau țesutul organelor trimit indicii către celule pentru a începe migrația, ceea ce este, de asemenea, crucial în răspândirea cancerului în organism. Mustafa Djamgoz de la Imperial College din Londra a investigat rolul unui anumit tip de canal de sodiu în cancerul de sân și de prostată. Acestea proliferează în celulele canceroase, făcându-le mai active din punct de vedere electric decât pot gestiona mecanismele normale de control ale organismului. Astfel de celule invadează apoi alte țesuturi și metastazează.
nu doar metastazele sunt implicate în semnalele bioelectrice. Frankie Rawson de la Universitatea din Nottingham a descoperit că un alt tip de curent generat biologic este important în cancer, permițând reprogramarea energiei—un alt aspect cheie al cancerului.
cancerul ar putea fi inversat prin controlul conversațiilor bioelectrice dintre celule? În 2013, grupul lui Levin a arătat că ar putea preveni sau inversa unele tumori în mormoloci prin utilizarea de medicamente pentru a viza semnalizarea lor bioelectrică. Aceleași medicamente ar putea activa și dezactiva cancerul la distanță, tratând mediul, nu celulele în sine. În 2016 au restabilit semnalizarea bioelectrică normală în mormolocii de broască cu tumori. Acestea au crescut, s-au răspândit și și-au format propria sursă de sânge, până când Levin a adăugat noi canale ionice activate de lumină cu terapia genică. Acest lucru a determinat celulele să înceteze divizarea necontrolată-de fapt, au revenit la o stare sănătoasă după ce tumorile s-au format deja. Celulele din interiorul lor au încetat pur și simplu să fie celule canceroase.
această abordare ar fi problematică la om, deoarece terapia genică rămâne experimentală, dar Levin lucrează pentru a-și repeta rezultatele cu medicamente aprobate pentru alte afecțiuni.
remedierea unui sistem de comunicații bioelectrice defect ar putea avea rezultate și mai dramatice. Levin și—a propus să inverseze deformările catastrofale ale mormolocilor care au fost supuși echivalentului fumatului intens sau consumului de alcool în timpul gestației umane-ambele provocând defecte embrionare prin interferența cu semnalele bioelectrice trimise de dezvoltarea celulelor fetale. După o singură baie de două zile într-un medicament cu canal ionic disponibil pe scară largă, mormolocii s-au rearanjat și au crescut normal. Implicația este că tulburări precum sindromul alcoolului fetal și alte defecte congenitale ar putea fi în cele din urmă reversibile la om.
implicația mai largă este că, în următorul deceniu, am putea învăța suficient despre bioelectricitate pentru a schimba modul în care rețelele celulare comunică și iau decizii cu privire la modul în care acestea cresc și se dezvoltă. Noile instrumente de modelare computațională vor fi un factor major aici. Cercetătorii, inclusiv Levin, le folosesc acum pentru a le spune exact ce canale trebuie modificate pentru a produce modificările dorite în circuitele electrice mai mari (și, prin urmare, modificări fizice).
în cele din urmă, vindecarea rănilor arată mai degrabă ca genul de regenerare pentru care salamandrele sunt celebre—și într-adevăr, Levin a demonstrat în mai multe experimente că membrele și cozile pot fi regenerate prin modificări bioelectrice, chiar și la specii precum broaștele care nu sunt predispuse în mod natural la aceasta. Acest lucru ridică perspectiva unor tratamente viitoare care implică pur și simplu îndepărtarea unei părți afectate a corpului și regrowing-o.
Flipping comutatorul
în mod clar, există o mulțime de obstacole pentru a șterge înainte de a începe punerea cancerului în sens invers, tăierea membrelor sau tăierea organelor vitale și creșterea altora noi. Studiile umane vor fi greu de realizat, iar o celulă este un mediu extrem de complicat, cu multe variabile de urmărit: experimentele în manipularea câmpului bioelectric au arătat că există încă multe lacune care trebuie conectate.
cu toate acestea, continuăm să descoperim mai multe despre cât de implicate și conectate sunt rețelele noastre de comunicații celulare, în și între toate celulele. Anul trecut, Djamgoz a descoperit că suprimarea canalelor sale particulare de sodiu cu un medicament ar putea opri metastazele la șobolanii cu cancer de prostată. El a depus deja un brevet pentru a reutiliza blocanții canalelor de sodiu cu tensiune ca medicamente anti-metastatice.
ceea ce a devenit clar în ultimul deceniu este posibilitatea de a atinge comunicarea, de a o amplifica și de a o întrerupe. În următorul deceniu, putem face progrese rapide dacă ne putem înțelege ideea că corpurile noastre sunt cel puțin la fel de electrice pe cât sunt chimice sau mecanice. În parte, este vorba despre a merge dincolo de simpla înțelegere a efectelor pe care semnalele bioelectrice le au pentru a înțelege ce înseamnă de fapt. Modele de calcul care sugerează ce modificări ale canalului ionic corespund cu care schimbările fizice vor deveni mai precise pe măsură ce calculul devine mai puternic. Și cercetătorii încep să pună capăt decalajelor dintre discipline-biofizică, inginerie sau biologie moleculară—care au frustrat mult timp progresul în acest domeniu.
visul, în decurs de 10 sau 20 de ani, este să folosim aceste informații pentru a profila proprietățile electrice ale țesuturilor biologice în același mod în care am profilat baza sa genetică—adică să completăm „electromul” uman și apoi să-l folosim sparge codul bioelectric uman.
după aproape un secol de neglijare și stagnare, știința bioelectricității a ajuns în sfârșit la un punct critic: Suntem gata să spargem codul bioelectric acum.
acest eseu a fost adaptat de la un finalist în Premiul Tipping Point al lui Nesta. Citiți toate eseurile aici.