Кожаная батарея

«Ручной ток» интригует ученых уже более века. Это может оказаться ключом к исцелению катастрофических травм.

Сильно укусите внутреннюю сторону щеки. Вы почувствуете покалывание. Это покалывание — раневой ток, существование которого расстраивало и вводило в заблуждение ученых с 18 века. Это помешало плодотворным попыткам Луиджи Гальвани продемонстрировать существование животного электричества у лягушек; это мешало Эмилю дю Буа-Реймону, когда он пытался определить потенциал действия в 19 веке. В 1843 году дю Буа-Реймон, чей известный навязчивый подход к созданию инструментов сформировал зарождающуюся науку электрофизиологию, построил свой собственный гальванометр для измерения этого странного электрического нарушителя. Тщательно созданный из не менее чем мили скрученной проволоки, устройство показало, что из пореза на его пальце вместе с кровью вытекало около один микроампер электрического тока.

Почти два столетия спустя современные инструменты, помогающие нам раскрыть секреты биоэлектричества, будут для дю Буа-Реймона почти неузнаваемы. Наконец-то мы обретаем понимание и технологии, чтобы задействовать раневой ток в борьбе с гнойными и хроническими ранами и ускорить процесс заживления всего остального.

Большинство биологов знают, что каждая клетка имеет мембранный потенциал: это напряжение является результатом дисбаланса ионов по обе стороны мембраны, превращающего клетку в крошечную батарею. Вероятно, наиболее известным мембранным напряжением является потенциал покоя нейронов-70 мВ, нарушение которого необходимо для прохождения нервного импульса. Но клетки кожи также обладают потенциалом покоя. Эти клетки соединены друг с другом маленькими дверцами, называемыми щелевыми соединениями, что означает, что эпителиальная ткань плотно соединяется, инкапсулируя нашу кожу, подобно мембране вокруг клетки. И как отдельная клетка имеет напряжение, так и эта эпителиальная ткань в целом. Это кожный аккумулятор.

Разрежьте или разорвите эту ткань, и произойдет короткое замыкание батареи, создающее «ток утечки», который хлынет из раны. Возникающее в результате электрическое поле привлекает и направляет множество вспомогательных клеток, включая кератиноциты и фибробласты, для устранения повреждений. Это самогенерируемое биоэлектрическое поле также влияет на деление и пролиферацию клеток, которые являются важными компонентами процесса заживления.

Мы неуклонно получали информацию об этих интригующих явлениях на протяжении десятилетий, но их было трудно использовать в медицинских целях. Важная веха наступила в 2006 году, когда физиолог Минь Чжао из Абердинского университета в Великобритании и генетик Йозеф Пеннингер из Института молекулярной биотехнологии в Австрии впервые определили механизм генетической миграции, который включается, когда к ранам прикладывают электрические поля. В листах клеток кожи человека, выращенных в культуре, эти поля изменили экспрессию генов в нескольких типах репаративных клеток, включая нейтрофилы и фибробласты. Чжао и Пеннингер также обнаружили, что усиление или ослабление естественного электричества может ускорить или полностью остановить процесс выздоровления.

Через несколько лет после этой вехи физик и биолог Ричард Нуччителли, бывший профессор Калифорнийского университета в Дэвисе, основавший собственную компанию BioElectroMed, создал Dermacorder, первое устройство, способное измерять мельчайшие изменения раневого тока в космосе. И время. Он обнаружил, что величина тока менялась по мере заживления, достигая пика при повреждении, а затем уменьшаясь, пока рана не заживала полностью. Устройство также дало другие интересные результаты: с возрастом люди производят все более слабые раневые токи — сдвиг, связанный с более медленным заживлением травм. Благодаря этому лучшему пониманию Нуччителли и его соавтор Кристин Пуллар из Университета Лестера смогли использовать целенаправленную электрическую стимуляцию. Уговорить новые кровеносные сосуды сформироваться в раненых тканях 40 человек-добровольцев. Не только электрическая симуляция могла увеличить скорость заживления ран — в других исследованиях на животных использовались лекарства.

Идея ускорения заживления ран сейчас набирает обороты. В 2020 году Министерство обороны США запустило программу стоимостью 16 миллионов долларов под руководством Чжао и нескольких других исследователей., разработать систему заживления ран следующего поколения для крупных травматических ран. Целью, по словам Чжао, которая сейчас работает в Калифорнийском университете в Дэвисе, является «система с замкнутым контуром, включающая крошечную камеру, электрическую стимуляцию и доставку, а также мониторинг ран с использованием нескольких датчиков, которые проводят визуальные и химические измерения». Система будет определять, насколько далеко зашло заживление, а затем использовать целевую стимуляцию, чтобы вызвать биоэлектрическое заживление сразу нескольких тканей — не только кожи — и удвоить скорость восстановления. В настоящее время проект переходит от исследований на грызунах к крупным животным, таким как свиньи, чья кожа больше похожа на человеческий эпителий. Испытания на людях должны начаться в следующем году.

В то время как проект министерства обороны амбициозен в переводе того, что мы уже знаем, Управление научных исследований ВВС работает над «более фундаментальным пониманием биоэлектричества, объединяя с головы до ног гены и молекулы, участвующие в электрической активности каждого человека». система», — говорит Чжао, который также является частью консорциума, изучающего эту более глубокую науку, в который входят ученые из Университета Джона Хопкинса, Университета штата Аризона и Университета Мэриленда.

Расшифровка роли биоэлектричества в лечении наших травм и манипулирование им в нашу пользу — это лишь один из многих способов, которыми это исследование может изменить то, как мы лечим наши самые распространенные заболевания. Подобные напряжения и токи работают в бактериальных коммуникационных сетях и позволяют микробам формировать устойчивые к антибиотикам биопленки. Новые исследования, нацеленные на эти сети, могут привести к новым способам решения растущей проблемы устойчивости к антибиотикам.

По мере того, как сегодняшние крупные исследовательские проекты приносят плоды, мы начинаем постигать контуры электрома. Наша способность использовать силу электричества в 19-м веке дала ему прозвище «электрический век» — способность, наконец, понять электричество в наших собственных телах может внести 21-й век в учебники истории как «биоэлектрический век».