din varje rörelse, uppfattning och tanke styrs av el.
om detta verkar osannolikt för dig, beror det förmodligen på att du antar el och människokroppen inte blandar. Men precis som elektriska signaler ligger till grund för världens kommunikationsnät upptäcker vi att de gör detsamma i våra kroppar: bioelektricitet är hur våra celler kommunicerar med varandra.
tack vare mer känsliga instrument, bättre tekniker för att mäta vår medfödda elektricitet på mobilnivån och en därmed djupare förståelse för dessa cellulära processer kan vi nu göra mycket mer för att tolka, avbryta eller omdirigera dessa kommunikationssignaler. Applikationerna är otaliga, men särskilt lovande och omedelbara för att fixa kroppen när det går fel, vare sig det är på grund av trauma, fosterskador eller cancer. De typer av korrigeringar som aktiveras av bioelektriska ingrepp är rent chockerande.
kroppen elektrisk
bioelektricitet är inte den typ av el som slår på dina lampor när du trycker på strömbrytaren. Den typen av elektricitet är baserad på elektroner: negativt laddade partiklar som strömmar i en ström. Människokroppen—inklusive hjärnan-körs på en helt annan version: rörelserna av mestadels positivt laddade joner av element som kalium, natrium och kalcium.
så här rör sig alla signaler inom och mellan hjärnan och varje organ och agent för uppfattning, rörelse och kognition. Det är grundläggande för vår förmåga att tänka och prata och gå. Och det visar sig att det också spelar en stor roll i hur våra celler berättar för varandra att systemen där de bor är friska—eller inte.
detta har inte alltid varit uppenbart. Louis Langman, till exempel, var före sin tid. Han arbetade på 1920-talet i New York City och erbjöd patienter på sin avdelning vid Bellevue gynekologisk tjänst en ovanlig diagnos för cancer: två elektroder, en placerad i vaginalkanalen och en annan på pubis. Dessa gjorde det möjligt för honom att mäta den elektriska spänningsgradienten mellan livmoderhalsen och den ventrala bukväggen. Om Langman upptäckte en markant förändring i denna lutning erbjöd han kvinnan en laparotomi för att kontrollera om hans misstankar var motiverade.
tekniken var förvånansvärt effektiv. Av de 102 fall där fluktuationer avslöjade ett signifikant skifte i spänningsgradienten bekräftades 95 att ha maligniteter. De exakta platserna för cancer varierade, men de identifierades ofta innan kvinnan hade upplevt uppenbara symtom.
Langman och hans medförfattare, Yale anatomisten Harold Saxton Burr, var bland en liten klick av forskare som undersökte de elektriska egenskaperna hos mänsklig vävnad. De trodde att alla levande saker—från möss till män till växter-formas och styrs av elektriska fält som kan mätas och kartläggas med vanliga voltmetrar.
Langman och Burr var korrekta, men deras resultat var dåligt förstådda fram till 1949 när Alan Hodgkin och Andrew Huxley upptäckte hur joner hjälper elektriska signaler hoppa över nervcellsmembran. Det genombrott, för vilket de senare vann ett Nobelpris, borde ha utlöst en explosion av forskning, inklusive att leta efter jonisk kommunikation bortom nervsystemet.
men inte tidigare hade Hodgkin och Huxley upptäckt denna mekanism än den förmörkades av ett annat genombrott: 1953 meddelade James Watson och Francis Crick att de hade upptäckt DNA: s dubbla helixstruktur. Hela biologins disciplin omorganiserades snabbt kring gener. Bioelektricitet förflyttades till ett nischproblem inom neurovetenskap.
det hjälpte inte att det inte fanns något sätt att studera jonflöden i många andra typer av celler i kroppen utan att döda dem och därigenom släcka de processer som studeras. Det vill säga fram till 1976, då Erwin Neher och Bert Sakmann utvecklade ett verktyg för att göra just det—vilket gör det möjligt för forskare att se enskilda joner driva in och ut ur neuroner. De använde sin” patch clamp ” – teknik för att upptäcka kanalerna som tillåter joner att genomsyra cellmembran.
Under huden
jakten på bioelektrisk kommunikation var på och genetiken gick från att vara bioelektricitets nemesis till sin bästa vän. Forskare kunde nu klona celler med och utan särskilda jonkanaler och se vad som hände. Det ledde snabbt till återupptäckten av bioelektrisk signalering i många typer av celler bortom nervsystemet.
en av de tidigaste var hudceller, som genererar ett elektriskt fält när de skadas. Du kan känna denna så kallade skada Ström själv: bita din kind hårt och lägg sedan tungan på den. Du kommer att känna en pirra. Det är du som känner av spänningen. Sårströmmen ropar ut till den omgivande vävnaden och lockar hjälpare som läkningsmedel, makrofager för att torka upp röran och kollagenvävande reparationsceller som kallas fibroblaster.
men denna ström var knepig att mäta förrän för några år sedan-de bräckliga, ultrakänsliga enheterna som kunde identifiera jonerna som flyter in och ut ur celler kunde inte störas och skulle inte fungera på en torr miljö som Hud. Men 2012 skapade Richard Nuccitelli en icke-invasiv enhet som kunde hantera hud, så att mänskliga skador strömmar kan övervakas noggrant. Han upptäckte att det toppar vid skada, avtar när såret läker och återgår till odetekterbart när läkning är klar.
men intressant, fann han också att människor vars skada Ström var svag läkt långsammare än människor vars skada Ström var ”högre.”Mer intressant fortfarande: Sårströmstyrkan minskar med åldern och avger en signal som bara är hälften så stark i över-65s som i under-25S.
detta har lett till en ökning av intresse för att använda vår kropps naturliga el för att påskynda eller förbättra sårläkning. Ann Rajnicek vid University Of Aberdeen har funnit att om hon använde kanalblockerande läkemedel för att hämma natriumjoner och därmed avbryta de elektriska signalerna som skickades av sårströmmen hos råttor, tog deras sår längre tid att läka.
kan det motsatta vara sant? Kan förstärkning av hudens naturliga elektriska fält minska läkningstiderna, eller till och med tillåta läkning av sår som är extremt resistenta mot läkning alls?
Nya försök indikerar att svaret är ja. Kanske är de mest skrämmande såren svåra sängsår, vilket kan ta månader till år att läka (om de läker alls) och attackera vävnad, muskler och ben djupt under huden. Två senaste metaanalyser drog slutsatsen att förstärkning av den naturliga sårströmmen med elektrisk stimulering hindrade dem alla från att bli värre och till och med läkte några av de värsta helt. Elektrisk stimulering fördubblar nästan deras läkning. På samma sätt har spännande resultat erhållits för icke-helande diabetiska sår—det slag som leder till amputation av lemmar, vilket vanligtvis leder inom några år till döden.
inte heller är effekten begränsad till huden. En växande mängd bevis under de senaste decennierna tyder på att samma typ av elektrisk stimulering kan påskynda läkning i benfrakturer—vilket kan vara relevant för behandling eller till och med förebyggande av osteoporos. Det finns till och med växande bevis på att samma cellulära elektriska mekanismer kan utnyttjas för att fixa ryggmärgsskador.
framtiden för bioelektricitet
så varför används inte elektrisk stimulering av varje kirurg på varje sår?
en ny studie visade att tanken på att elektricitet är relevant i biologi fortfarande är för ny och kontraintuitiv för bred acceptans. Och även när kliniker har hört talas om det, vet de inte hur man använder det: inga befintliga riktlinjer anger antingen den aktuella typen (direkt? omväxlande?) eller parametrarna (hur länge ska den tillämpas? hur stark ska den vara?). Även verktygen är inte standardiserade. Det är inte konstigt att i avsaknad av tydliga rekommendationer föredrar terapeuter att tillgripa antibiotika snarare än att ta ansvar för denna skrämmande uppsättning alternativ.
dessutom klagar forskare i många av de kliniska prövningarna att satsen, med sina elektroder och kraftkällor, är för besvärlig, begränsar naturlig rörelse och kommer i vägen för patientöverensstämmelse. Men det här kanske inte är ett problem mycket längre. Många laboratorier och privata företag arbetar nu med bioelektriska sårförband-polyester eller andra substrat impregnerade med silver och andra biologiskt aktiva medel som aktiveras av ”sårvätskan” och förstärker den naturliga sårströmmen. Framtida versioner kan ha en kraftfullare laddning.
i slutet av förra året utvecklade ett gemensamt USA-kinesiskt team från University of Wisconsin och Huazhong University en bärbar nanogenerator som kunde glida in i bandagedesignen för att generera det förstärkande elektriska fältet från bärarens vardagliga rörelser. Råttor som bar detta bandage tog i genomsnitt tre dagar att läka; de som inte tog 12.
det kan till och med vara möjligt att förbättra sårströmmen utan elektrisk stimulering. Detta är viktigt för skador där du inte behöver använda el eller bandage, som ögonskador. Min Zhao vid University of California, Davis, visade att rippor i hornhinnan läker snabbare när vissa jonkanaler manipuleras med enkla ögondroppar för att öka storleken på sårströmmar—bioelektricitet utan el.
sambandet mellan cancer och elektricitet
om läkarnas hjärtan och sinnen kan vinnas är sårläkning förmodligen den mest omedelbara kliniska tillämpningen av bioelektrisk forskning. Men vad vi kan förvänta oss att se under de kommande 10 åren är större tydlighet om hur enskilda celler använder elektrisk kommunikation för att samarbeta i kroppens tjänst som helhet.
Cancer har kallats ett sår som inte läker. Det finns många likheter. Till exempel bildas nya blodkärl både när sår läker och när celler blir maligna, och det finns förändringar i elektriska signaler i båda fallen. Skillnaden är att i cancer slutar signalerna aldrig.
som Langman och Burr misstänkte på 1920—talet kan cancer upptäckas genom deras störning av allmänt distribuerade bioelektriska egenskaper hos kroppen-störningar som kan detekteras på platser långt ifrån själva tumören. Burr visade att om du implanterar en tumör i ett djur, skulle kroppens elektriska signalering nästan omedelbart gå haywire.
Cancer börjar ses alltmer som ett misslyckande av kommunikation; en felreglering av informationsområdet som orkestrerar enskilda cellers aktiviteter mot att fungera som en del av ett normalt levande system. Enskilda celler ”glömmer” de är en del av en större helhet och behandlar resten av kroppen som en miljö vars resurser kan utnyttjas för att mata sig själva.
Detta är en stor avvikelse från den vanliga uppfattningen, som i årtionden hävdade att det som förvandlar en frisk cell till en cancercell helt enkelt är ackumulering av genetisk skada. Mutationer, historien gick, leder till obegränsad spridning.
men vad händer om det fanns mer till den här historien? Michael Levin vid Tufts University var bland de tidigaste som undrade om en Cells oförmåga att kommunicera normalt med kroppens mönsternätverk också var relevant för cancerens beteende.
det finns växande bevis som är fallet. De elektriska fälten som genereras av joner som pumpar över hud-eller organvävnad skickar signaler till celler för att starta migrering, vilket också är avgörande för att cancer sprider sig runt kroppen. Mustafa Djamgoz vid Imperial College London har undersökt rollen för en viss typ av natriumkanal i bröst-och prostatacancer. Dessa prolifererar i cancerceller, vilket gör dem mer elektriskt aktiva än kroppens normala kontrollmekanismer kan hantera. Sådana celler invaderar sedan andra vävnader och metastaserar.
det är inte bara metastas som bioelektriska signaler är inblandade i. Frankie Rawson vid University of Nottingham har upptäckt att en annan typ av biologiskt genererad ström är viktig i cancer genom att möjliggöra omprogrammering av energi—en annan viktig aspekt av cancer.
kan cancer vändas genom att kontrollera de bioelektriska konversationerna mellan celler? I 2013 visade Levins grupp att de kunde förhindra eller vända vissa tumörer i tadpoles genom att använda droger för att rikta sin bioelektriska signalering. Samma läkemedel kan slå på och stänga av cancer på avstånd, genom att behandla miljön, inte cellerna själva. I 2016 återställde de normal bioelektrisk signalering i groda tadpoles med tumörer. Dessa hade vuxit, spridit och bildat sin egen blodtillförsel tills Levin tillsatte nya, ljusaktiverade jonkanaler med genterapi. Det fick cellerna att sluta okontrollerbart dela sig-i själva verket återgick de till ett hälsosamt tillstånd efter att tumörerna redan hade bildats. Cellerna inuti dem slutade helt enkelt att vara cancerceller.
detta tillvägagångssätt skulle vara problematiskt hos människor, eftersom genterapi förblir experimentell, men Levin arbetar för att upprepa sina resultat med läkemedel som godkänts för andra sjukdomar.
att fixa ett brutet bioelektriskt kommunikationssystem kan ha ännu mer dramatiska resultat. Levin syftade till att vända katastrofala deformiteter i tadpoles som hade utsatts för motsvarande tung rökning eller alkoholkonsumtion under mänsklig dräktighet—som båda orsakar embryonala defekter genom att störa bioelektriska signaler som skickas genom att utveckla fosterceller. Efter ett enda två dagars bad i ett allmänt tillgängligt jonkanalläkemedel omarrangerade tadpolesna sig själva och växte som vanligt. Implikationen är att störningar som fetalt alkoholsyndrom och andra fosterskador så småningom kan vara reversibla hos människor.
den bredare implikationen är fortfarande att inom det närmaste decenniet kunde vi lära oss tillräckligt om bioelektricitet för att förändra hur cellnätverk kommunicerar och fattar beslut om hur de växer och utvecklas. Nya beräkningsmodelleringsverktyg kommer att vara en viktig faktor här. Forskare inklusive Levin använder nu dessa för att berätta för dem exakt vilka kanaler som behöver tweaked för att producera önskade förändringar i större elektriska kretsar (och därmed fysiska förändringar).
i slutändan ser sårläkning ut som den typ av regenerering som salamandrar är kända för—och Levin har faktiskt visat i flera experiment att lemmar och svansar kan regenereras genom bioelektrisk tweaking, även i arter som grodor som inte är naturligt predisponerade för det. Detta ökar utsikterna för framtida behandlingar som innebär att man helt enkelt tar bort en drabbad kroppsdel och återvinner den.
vända omkopplaren
klart, det finns en hel del hinder för att rensa innan vi börjar sätta cancer i omvänd, lopping av lemmar, eller skära ut vitala organ och växande nya. Mänskliga försök kommer att vara svåra att genomföra, och en cell är en djävulskt komplicerad miljö med många variabler att hålla reda på: experiment med att manipulera det bioelektriska fältet har visat att det fortfarande finns många luckor att plugga in.
ändå fortsätter vi att upptäcka mer om hur involverade och anslutna våra mobilkommunikationsnätverk är, i och över alla celler. Förra året fann Djamgoz att undertryckande av hans speciella natriumkanaler med ett läkemedel kunde stoppa metastasering hos råttor med prostatacancer. Han har redan lämnat in ett patent för att återanvända spänningsstyrda natriumkanalblockerare som antimetastatiska läkemedel.
det som bara har blivit tydligt under det senaste decenniet är möjligheten att utnyttja kommunikationen, förstärka den och avbryta den. Under det kommande decenniet kan vi göra snabba framsteg om vi kan få våra huvuden runt tanken att våra kroppar är minst lika elektriska som de är kemiska eller mekaniska. Delvis handlar det om att gå utöver att bara förstå vilka effekter de bioelektriska signalerna måste förstå vad de faktiskt menar. Beräkningsmodeller som föreslår vilka jonkanaljusteringar som motsvarar vilka fysiska förändringar som bara blir mer exakta när beräkningen blir kraftfullare. Och forskare börjar överbrygga luckorna mellan discipliner—biofysik, teknik eller molekylärbiologi—som länge har frustrerat framsteg på detta område.
drömmen, inom 10 eller 20 år, är att använda dessa insikter för att profilera de elektriska egenskaperna hos biologiska vävnader på samma sätt som vi har profilerat dess genetiska grund—det vill säga att slutföra den mänskliga ”elektronen” och sedan använda den knäcka den mänskliga bioelektriska koden.
efter nästan ett sekel av försummelse och stagnation har vetenskapen om bioelektricitet äntligen nått en tipppunkt: Vi är redo att knäcka den bioelektriska koden nu.
denna uppsats anpassades från en finalist i nestas Tipping Point Prize. Läs alla uppsatser här.