din hver bevægelse, opfattelse og tanke styres af elektricitet.
hvis dette synes usandsynligt for dig, er det sandsynligvis fordi du antager elektricitet, og den menneskelige krop ikke blandes. Men ligesom elektriske signaler understøtter verdens kommunikationsnetværk, opdager vi, at de gør det samme i vores kroppe: bioelektricitet er, hvordan vores celler kommunikerer med hinanden.
takket være mere følsomme instrumenter, bedre teknikker til at måle vores medfødte elektricitet på mobilniveau og en deraf følgende dybere forståelse af disse cellulære processer, kan vi nu gøre meget mere for at fortolke, afbryde eller omdirigere disse kommunikationssignaler. Ansøgningerne er utallige, men især lovende og øjeblikkelige til at fikse kroppen, når det går galt, hvad enten det er på grund af traumer, fødselsdefekter eller kræft. De slags rettelser, der er aktiveret af bioelektriske indgreb, er ligefrem chokerende.
kroppen elektrisk
bioelektricitet er ikke den slags elektricitet, der tænder dine lys, når du trykker på kontakten. Den slags elektricitet er baseret på elektroner: negativt ladede partikler, der strømmer i en strøm. Den menneskelige krop—inklusive hjernen-kører på en meget anden version: bevægelserne af for det meste positivt ladede ioner af elementer som kalium, natrium og calcium.
Sådan bevæger alle signaler sig i og mellem hjernen og ethvert organ og middel til opfattelse, bevægelse og kognition. Det er grundlæggende for vores evne til at tænke og tale og gå. Og det viser sig, at det også spiller en stor rolle i, hvordan vores celler fortæller hinanden, at de systemer, de bor i, er sunde—eller ej.
dette har ikke altid været indlysende. Louis Langman var for eksempel forud for sin tid. I 1920 ‘ erne tilbød han patienter på sin afdeling ved Bellevue gynækologisk tjeneste en usædvanlig diagnose for kræft: to elektroder, en placeret i vaginalkanalen og en anden på pubis. Disse tillod ham at måle den elektriske spændingsgradient mellem livmoderhalsen og den ventrale abdominalvæg. Hvis Langman opdagede en markant ændring i denne gradient, tilbød han kvinden en laparotomi for at kontrollere, om hans mistanke var berettiget.
teknikken var overraskende effektiv. Ud af de 102 tilfælde, hvor udsving afslørede et signifikant skift i spændingsgradienten, blev 95 bekræftet at have maligniteter. De nøjagtige placeringer af kræften varierede, men de blev ofte identificeret, før kvinden havde oplevet åbenlyse symptomer.
Langman og hans medforfatter, Yale-anatomisten Harold Sakserton Burr, var blandt en lille Klik af forskere, der undersøgte de elektriske egenskaber ved humant væv. De troede, at alle levende ting—fra mus til mænd til planter-er støbt og styret af elektriske felter, der kan måles og kortlægges med standard voltmetre.
Langman og Burr var korrekte, men deres fund blev dårligt forstået indtil 1949, da Alan Hodgkin og Andrey. Det gennembrud, som de senere vandt en Nobelpris for, burde have udløst en eksplosion af forskning, herunder at lede efter ionisk kommunikation ud over nervesystemet.
men ikke så snart havde Hodgkin og Hutley opdaget denne mekanisme, end den blev overskygget af endnu et gennembrud: i 1953 meddelte James og Francis Crick, at de havde opdaget den dobbelte spiralstruktur af DNA. Hele biologiens disciplin reorganiserede sig hurtigt omkring gener. Bioelektricitet blev henvist til en niche bekymring inden for neurovidenskab.
det hjalp ikke, at der ikke var nogen måde at studere ionstrømme i mange andre typer celler i kroppen uden at dræbe dem og derved slukke de meget processer, der studeres. Det vil sige indtil 1976, da Ervin Neher og Bert Sakmann udviklede et værktøj til netop det—hvilket gjorde det muligt for forskere at se individuelle ioner glide ind og ud af neuroner. De brugte deres” patch clamp ” – teknik til at opdage de kanaler, der tillader ioner at gennemtrænge cellemembraner.
Under huden
jagten på bioelektrisk kommunikation var på, og genetik gik fra at være bioelektricitets nemesis til sin bedste ven. Forskere kunne nu klone celler med og uden særlige ionkanaler og se, hvad der skete. Det førte hurtigt til genopdagelse af bioelektrisk signalering i mange slags celler ud over nervesystemet.
en af de tidligste var hudceller, der genererer et elektrisk felt, når de er skadet. Du kan føle denne såkaldte skadestrøm selv: bid din kind hårdt og læg derefter tungen på den. Du vil føle en snurre. Det er dig, der mærker spændingen. Sårstrømmen kalder ud til det omgivende væv og tiltrækker hjælpere som helbredende midler, makrofager til at tørre rodet og kollagenvævende reparationsceller kaldet fibroblaster.
men denne strøm var vanskelig at måle indtil for få år siden—de skrøbelige, ultrafølsomme enheder, der var i stand til at identificere ionerne, der strømmer ind og ud af celler, kunne ikke forstyrres og ville ikke fungere på et tørt miljø som hud. Men i 2012 skabte Richard Nuccitelli en ikke-invasiv enhed, der kunne håndtere hud, så menneskelige skadestrømme kunne overvåges nøje. Han opdagede, at det topper ved skade, aftager, når såret heler, og vender tilbage til uopdagelig, når helingen er afsluttet.
men interessant nok fandt han også, at mennesker, hvis skadestrøm var svag, helede langsommere end mennesker, hvis skadestrøm var “højere.”Endnu mere interessant: Sårstrømstyrken falder med alderen og udsender et signal, der kun er halvt så stærkt i over 65 år som i under 25 år.
dette har ført til en stigning i interessen for at bruge vores krops naturlige elektricitet til at fremskynde eller forbedre sårheling. Ann Rajnicek ved University of Aberdeen har fundet ud af, at hvis hun brugte kanalblokerende lægemidler til at hæmme natriumioner og derved afbryde de elektriske signaler, der sendes af sårstrømmen hos rotter, tog deres sår længere tid at helbrede.
kunne det modsatte være sandt? Kan forstærkningen af hudens naturlige elektriske felt mindske helingstiderne eller endda tillade heling af sår, der overhovedet er ekstremt modstandsdygtige over for heling?
nylige forsøg viser, at svaret er ja. Måske er de mest rystende slags sår alvorlige sengesår, som kan tage måneder til år at helbrede (hvis de heler overhovedet) og angribe væv, muskler og knogler dybt under huden. To nylige metaanalyser konkluderede, at forstærkning af den naturlige sårstrøm med elektrisk stimulering forhindrede dem alle i at blive værre og endda helede nogle af de værste fuldstændigt. Elektrisk stimulering fordobler næsten deres helbredelse. Tilsvarende spændende resultater er opnået for ikke-helende diabetiske sår—den slags, der fører til amputation af lemmer, som normalt fører inden for få år til døden.
effekten er heller ikke begrænset til huden. En voksende mængde beviser i løbet af de sidste par årtier antyder, at den samme form for elektrisk stimulering kan fremskynde heling i knoglebrud—hvilket kan være relevant til behandling eller endda forebyggelse af osteoporose. Der er endda voksende beviser for, at de samme cellulære elektriske mekanismer kunne udnyttes til at rette rygskader.
fremtiden for bioelektricitet
så hvorfor bruges ikke elektrisk stimulering af hver kirurg på hvert sår?
en nylig undersøgelse viste, at ideen om, at elektricitet er relevant i biologi, stadig er for ny og kontraintuitiv til bred accept. Og selv når klinikere har hørt om det, ved de ikke, hvordan man bruger det: ingen eksisterende retningslinjer angiver enten den aktuelle type (direkte? skiftevis?) eller parametrene (hvor længe skal det anvendes? hvor stærk skal den være?). Selv værktøjerne er ikke standardiserede. Det er ikke underligt, at terapeuter i mangel af klare anbefalinger foretrækker at ty til antibiotika i stedet for at tage ansvar for dette skræmmende sæt muligheder.
derudover klager forskere i mange af de kliniske forsøg, at kittet med dets elektroder og strømkilder er for besværligt, begrænser den naturlige bevægelse og kommer i vejen for patientoverholdelse. Men dette er muligvis ikke et problem meget længere. Mange laboratorier og private virksomheder arbejder nu på bioelektriske sårforbindelser—polyester eller andre substrater imprægneret med sølv og andre biologisk aktive stoffer, der aktiveres af “sårvæsken” og forstærker den naturlige sårstrøm. Fremtidige versioner kan bære en mere kraftfuld opladning.
i slutningen af sidste år udviklede et fælles amerikansk-kinesisk team fra University of Viconsin og HuaHong University en bærbar nanogenerator, der kunne glides ind i bandagedesignet for at generere det forstærkende elektriske felt fra hverdagens bevægelser af bæreren. Rotter, der bar denne bandage, tog i gennemsnit tre dage at helbrede; dem, der ikke tog 12.
det kan endda være muligt at forbedre sårstrømmen uden elektrisk stimulering. Dette er vigtigt for skader, hvor du ikke nødvendigt ønsker at anvende elektricitet eller et bandage, som øjenskader. Min Jao ved University of California, Davis, viste, at rips i hornhinden heler hurtigere, når visse ionkanaler manipuleres med enkle øjendråber for at øge størrelsen af sårstrømme—bioelektricitet uden elektricitet.
forbindelsen mellem kræft og elektricitet
hvis lægernes hjerter og sind kan vindes, er sårheling sandsynligvis den mest øjeblikkelige kliniske anvendelse af bioelektrisk forskning. Men hvad vi kan forvente at se i løbet af de næste 10 år er større klarhed om, hvordan individuelle celler bruger elektrisk kommunikation til at samarbejde i kroppens tjeneste som helhed.
kræft er blevet kaldt et sår, der ikke heler. Der er mange ligheder. For eksempel dannes nye blodkar både som sår heler og som celler bliver ondartede, og der er ændringer i elektriske signaler i begge tilfælde. Forskellen er, at i kræft stopper signalerne aldrig.
som Langman og Burr mistænkte i 1920 ‘ erne, kan kræftformer påvises ved deres forstyrrelse af kroppens vidt distribuerede bioelektriske egenskaber—forstyrrelser, der kan påvises på steder langt væk fra selve tumoren. Burr viste, at hvis du implanterer en tumor i et dyr, ville kroppens elektriske signalering næsten straks gå i skud.
kræft begynder i stigende grad at blive betragtet som en kommunikationssvigt; en forkert regulering af informationsområdet, der orkestrerer individuelle cellers aktiviteter mod at fungere som en del af et normalt levende system. Individuelle celler” glemmer ” de er en del af en større helhed og behandler resten af kroppen som et miljø, hvis ressourcer kan udnyttes til at fodre sig selv.
dette er en stor afvigelse fra den almindelige opfattelse, som i årtier har fastslået, at det, der gør en sund celle til en kræftcelle, simpelthen er akkumulering af genetisk skade. Mutationer, historien gik, fører til ubegrænset spredning.
men hvad nu hvis der var mere til denne historie? Michael Levin ved Tufts University var blandt de tidligste til at spekulere på, om en celles manglende evne til at kommunikere normalt med kroppens mønsternetværk også var relevant for Kræftens opførsel.
der er voksende beviser for, at det er tilfældet. De elektriske felter, der genereres af ioner, der pumper over hud-eller organvæv, sender signaler til celler for at starte migration, hvilket også er afgørende for kræft, der spredes rundt i kroppen. Mustafa Djamgos ved Imperial College London har undersøgt rollen som en bestemt slags natriumkanal i bryst-og prostatacancer. Disse spredes i kræftceller, hvilket gør dem mere elektrisk aktive end kroppens normale kontrolmekanismer kan klare. Sådanne celler invaderer derefter andre væv og metastaserer.
det er ikke kun metastase, at bioelektriske signaler er impliceret i. Ved University of Nottingham har Frankie opdaget, at en anden form for biologisk genereret strøm er vigtig i kræft ved at muliggøre energiomprogrammering—et andet vigtigt aspekt af kræft.
kunne kræft vendes ved at kontrollere de bioelektriske samtaler mellem celler? I 2013 viste Levins gruppe, at de kunne forhindre eller vende nogle tumorer i haletudser ved at bruge medicin til at målrette deres bioelektriske signalering. De samme stoffer kan slå kræft til og fra på afstand ved at behandle miljøet, ikke cellerne selv. I 2016 gendannede de normal bioelektrisk signalering i frøer haletudser med tumorer. Disse var vokset, spredt og dannet deres egen blodforsyning, indtil Levin tilføjede nye, lysaktiverede ionkanaler med genterapi. Det fik cellerne til at stoppe ukontrollabelt at dele sig-faktisk vendte de tilbage til en sund tilstand, efter at tumorerne allerede var dannet. Cellerne inde i dem stoppede simpelthen med at være kræftceller.
denne tilgang ville være problematisk hos mennesker, da genterapi forbliver eksperimentel, men Levin arbejder på at gentage sine resultater med lægemidler godkendt til andre lidelser.
fastsættelse af et ødelagt bioelektrisk kommunikationssystem kunne have endnu mere dramatiske resultater. Levin havde til formål at vende katastrofale deformiteter i haletudser, der var blevet udsat for ækvivalent med kraftig rygning eller alkoholforbrug under menneskelig drægtighed—som begge forårsager embryonale defekter ved at forstyrre bioelektriske signaler sendt ved at udvikle føtalceller. Efter et enkelt to-dages bad i et bredt tilgængeligt ionkanallægemiddel, rumpehuller omarrangerede sig selv og voksede som normalt. Implikationen er, at lidelser som føtalt alkoholsyndrom og andre fødselsdefekter i sidste ende kan være reversible hos mennesker.
den bredere implikation er stadig, at vi inden for det næste årti kunne lære nok om bioelektricitet til at ændre, hvordan cellenetværk kommunikerer og træffer beslutninger om, hvordan de vokser og udvikler sig. Nye beregningsmodelleringsværktøjer vil være en vigtig faktor her. Forskere, herunder Levin, bruger nu disse til at fortælle dem præcis, hvilke kanaler der skal justeres for at producere ønskede ændringer i større elektriske kredsløb (og dermed fysiske ændringer).
i sidste ende ser sårheling snarere ud som den slags regenerering, som salamandere er berømte for—og Levin har faktisk demonstreret i flere eksperimenter, at lemmer og haler kan regenereres ved bioelektrisk tilpasning, selv i arter som frøer, der ikke er naturligt disponeret for det. Dette rejser udsigten til fremtidige behandlinger, der involverer blot at fjerne en berørt kropsdel og genvinde den.
vend kontakten
det er klart, at der er mange forhindringer at rydde, før vi begynder at sætte kræft i omvendt, loppe af lemmer eller skære vitale organer ud og vokse nye. Menneskelige forsøg vil være svære at gennemføre, og en celle er et djævelsk kompliceret miljø med mange variabler at holde styr på: eksperimenter med at manipulere det bioelektriske felt har afsløret, at der stadig er mange huller, der skal tilsluttes.
ikke desto mindre fortsætter vi med at opdage mere om, hvor involveret og forbundet vores cellulære kommunikationsnetværk er, i og på tværs af alle celler. Sidste år fandt Djamgos, at undertrykkelse af hans særlige natriumkanaler med et lægemiddel kunne stoppe metastase hos rotter med prostatacancer. Han har allerede indgivet et patent for at genbruge spændingsstyrede natriumkanalblokkere som antimetastatiske lægemidler.
det, der først er blevet klart i det sidste årti, er muligheden for at tappe på kommunikationen, forstærke den og afbryde den. I det næste årti kan vi gøre hurtige fremskridt, hvis vi kan få vores hoveder omkring tanken om, at vores kroppe er mindst lige så Elektriske som de er kemiske eller mekaniske. Til dels handler det om at gå ud over blot at forstå, hvilke virkninger de bioelektriske signaler har for at forstå, hvad de rent faktisk betyder. Beregningsmodeller, der antyder, hvilke ionkanaljusteringer der svarer til, hvilke fysiske ændringer der kun bliver mere præcise, når computing bliver mere kraftfuld. Og forskere begynder at bygge bro over hullerne mellem discipliner—biofysik, teknik eller molekylærbiologi—der længe har frustreret fremskridt på dette område.
drømmen er inden for 10 eller 20 år at bruge disse indsigter til at profilere de elektriske egenskaber ved biologiske væv på samme måde som vi har profileret dets genetiske grundlag—det vil sige at fuldføre det menneskelige “elektrome” og derefter bruge det knæk den menneskelige bioelektriske kode.
efter næsten et århundrede med forsømmelse og stagnation har videnskaben om bioelektricitet endelig nået et vendepunkt: Vi er klar til at knække den bioelektriske kode nu.
dette essay blev tilpasset fra en finalist i nestas Tipping Point-pris. Læs alle essays her.