1800-luvun alussa sähkön luonne jäi tutkijoille mysteeriksi. Aikakauden kokeet osoittivat, että kipinä saattoi saada kuolleiden sammakoiden lihakset nykimään tai jopa saada ihmisruumiit kouristuksiin — yliluonnollista ravintoa, joka on saattanut inspiroida Mary Shelleyn kuuluisaa Frankenstein-romaania. Yli 200 vuotta myöhemmin, kaikkia tapoja, joilla sähkö vaikuttaa ihmiskehossa, ei vieläkään täysin ymmärretä. On kuitenkin selvää, että sähköisillä signaaleilla on suuri merkitys kehon varhaisessa kehityksessä.
tutkijat kuten Michael Levin Tuftsin yliopistosta ovat havainneet, että solulataukset ohjaavat sitä, miten ja missä rakenne muodostuu kehittyvässä alkiossa. Vielä yllättävämpää on, että ruumiin muotoja on mahdollista manipuloida vain muuttamalla sen solujen jännitekuvioita.
tätä perustekniikkaa käyttäen Levin kollegoineen on onnistunut kasvattamaan toimivat kolmannet silmät nuijapäiden selkään. Ne ovat laukaisseet aivovaurion sammakon alkioissa estämällä keskeisten hermorakenteiden muodostumisen — ja sitten peruuttaneet vahingon muuttamalla kehittyvien aivosolujen sähkövarausta. Vaikka tämä työ on vielä hyvin kokeellista, Levin arvelee, että sillä voisi olla suuri vaikutus lääketieteen, biologian ja biokemian aloille. Hän kuvittelee eräänä päivänä käyttävänsä bioelektroniikkaa kohdun epämuodostumien korjaamiseen, syövän hoitamiseen tai jopa uusien raajojen kasvattamiseen amputoiduilla.
Levin, Tuftsin Allen Discovery Centerin johtaja ja 2017 Annual Review of biolääketieteen Engineeringin artikkelin kirjoittaja, puhui äskettäin Knowable-lehdelle biosähköisen tutkimuksen tilasta ja ajatuksistaan sen tulevaisuudennäkymistä. Tätä keskustelua on muokattu pituuden ja selkeyden vuoksi.
mitä ”sähköinen signaali” oikeasti tarkoittaa biologian kontekstissa?
jokaista solua ympäröivässä kalvossa on sulautuneita proteiineja, jotka voivat liikuttaa ioneja — varautuneita atomeja — solussa ja sen ulkopuolella. Kalium, kloridi, natrium, protonit ja niin edelleen. Ja väistämättä, jos lisäät varattuja ioneja kalvon toiselle puolelle, – luot sähköisen potentiaalin solun pinnalle. Niin käy periaatteessa akussa, jossa akun toisella puolella on eri määrä latausta kuin toisella.
käy ilmi, että solut voivat itse asiassa käyttää noita varauksia viestintään. Nämä signaalit ovat paljon hitaammin vaikuttavia kuin impulssit, joista olemme tottuneet kuulemaan hermostossa — siellä puhutaan millisekunnin aikaskaaloista tiedonkululle, mutta kehityksellisessä bioelektroniikassa puhutaan minuuteista tai jopa tunneista. Mutta viime kädessä solujen välinen sähköinen potentiaali voi määrittää, miten tietyt kudokset tai rakenteet kehittyvät.
miten nämä sähköiset signaalit tarkalleen vaikuttavat kehon kehitykseen?
Biosähkösignaalit toimivat eräänlaisena korkean tason pääsäätimen kytkimenä. Niiden alueellinen jakautuminen kudoksiin ja intensiteettiin kertoo alueen alkiossa, OK, sinusta tulee silmä, tai aivoista tietyn kokoinen, tai sinusta tulee raaja,tai menet kehon vasemmalle puolelle, sen sellaista.
nuijapään pyrstössä oleva pallo on itse asiassa kehittyvä sammakonsilmä. Altistamalla istutetun kudoksen eräille välittäjäaineille tutkijat saivat houkuteltua hermokudoksen kasvamaan siitä. Tämä yhdisti onnistuneesti kehittyvän nuijapään selkäytimeen, lähetti näköinformaatiota aivoihin ja antoi muuten sokean nuijapään nähdä.
luotto: ALLEN DISCOVERY CENTER, TUFTS UNIVERSITY
niiden voi nähdä muodostuvan sammakon alkioissa. Esimerkiksi sähköherkät väriaineet paljastavat kuvion, jota kutsumme ”sähköiseksi kasvoksi” — kudoksen sähkögradientit, jotka asettuvat siihen kohtaan, missä kaikki kasvojen osat muodostuvat myöhemmin. Se on kuin hienovarainen tukiranka anatomian pääpiirteille, kun taas monet paikalliset yksityiskohdat näyttävät täyttyvän muilla prosesseilla, jotka voivat tai eivät liity bioelektroniikkaan. Jos niitä sähkösignaaleja muuttaa kehittyvässä alkiossa, sillä voi olla suuri vaikutus siihen, miten ja missä sen rakenteet muodostuvat.
voitko antaa esimerkin siitä, miten se toimii tietyssä elimessä?
varma. Halusimme muutama vuosi sitten tutkia muun muassa sitä, miten siirretyt solut ja kudokset kehittyvät vieraassa ympäristössä. Otimme yhden sammakon alkion silmärakenteen ja istutimme sen toisen alkion selkään. Meitä kiinnosti kaksi asiaa: ensinnäkin, pystyisikö vastaanottaja näkemään ulos tuosta istutetusta silmästä selässään? Ovatko aivot niin muovisia, että niistä näkee ulos? Toiseksi, halusimme tietää, mitä tämä silmän rakenne tekee ilman aivoja lähellä? Missä se yhdistyy, ja mitä neuronit tekevät?
saimme selville, että kun tuon rakenteen istuttaa kehittyvän nuijapään selkään, silmäsolut muodostavat toimivan verkkokalvon ja näköhermon, joka ikään kuin meanderoi ympäriinsä ja yrittää kytkeytyä selkäytimeen jonnekin. Mutta jos implanttia ympäröivien solujen sähköistä potentiaalia madalletaan, silmän rakenne menee sekaisin, ja syntyy valtava määrä uusia hermoja, jotka syntyvät siitä.
on käynyt ilmi, että kehittyvät hermosolut pystyvät lukemaan kudoksen sähköisiä signaaleja, joiden päällä ne istuvat. Jos kudoksessa olevilla soluilla on polarisoitunut lepopotentiaali — eli ne ovat keränneet negatiivisia varauksia jokaiseen soluun — istutettu silmä muodostaa näköhermon ja se on sen loppu. Mutta jos ne depolarisoituvat, tai niillä on pienempi varaus, se antaa hermosoluille signaalin ylikasvusta hyvin syvällisellä tavalla. Uskomme, että tämä on esimerkki soluista, jotka lukevat ympäristönsä sähköistä topografiaa ja tekevät kasvupäätöksiä sen perusteella.
kahtia paloiteltuna laakamato voi normaalisti kasvattaa puuttuvia ruumiinosiaan takaisin. Manipuloimalla solujen sähkövarausta tiedemiehet voivat kuitenkin hallita, mitkä näistä osista uusiutuvat. Estämällä lättämadon solujen varautuneiden ionien normaalin tulon ja ulosvirtauksen ne voivat luoda hyperpolarisoituneen tilan regeneroituvan kudoksen molemmille puolille, mikä saa madon kasvattamaan kaksi häntää. Tai ne voivat luoda depolarisoidun tilan, mikä johtaa toisen pään muodostumiseen sen amputoidun hännän tilalle.
jos silmäimplantin ympärillä olevat biosähkösignaalit muutetaan, se kasvaa nuijapään hermostoon?
Kyllä. Sen lisäksi, että se kasvaa kokonaiseksi silmärakenteeksi, se on myös toimiva. Jos nuijapään olemassa olevat silmät poistetaan, implantti antaa muuten sokeiden eläinten nähdä värejä ja liikkuvia muotoja. Tutkimuksessamme laitoimme sokaistuneet nuijapäät matalaan astiaan LCD-näytön päälle ja jahtasimme niitä ympäriinsä pienillä mustilla kolmioilla. Nuijapäät uivat jatkuvasti vastatessaan kolmioiden liikkeeseen. Emme tiedä, onko niillä sama näöntarkkuus kuin tavallisilla nuijapäillä, – mutta ne näkevät varmasti ulos uudesta istutetusta silmästä.
Aktiivinen puolivälissä kahdeksastoista-luvulla, Luigi Galvani teki seminal kokeita siitä, miten sähköiset signaalit aktivoitu lihaksia kehossa — jolloin jalat kuolleen sammakon nykiä jälkeen Zap niitä elektrodit (esitetty) — ja oli ensimmäisten tutkijoiden löytää bioelektroniikan.
luotto: LUIGI GALVANI / WIKIMEDIA COMMONS
miten solun tai kudosten sähköistä tilaa voi manipuloida?
voimme tehdä sen lääkkeillä, jotka kohdistavat ionikanavia soluihin. Tällä hetkellä noin 20 prosenttia kaikista lääkkeistä on ionikanavaisia lääkkeitä, joita ihmiset käyttävät epilepsiaan ja muihin sairauksiin, joten niitä ei ole vaikea löytää. Laboratoriossamme valmistamme nimenomaan lääkecocktaileja, jotka kohdistuvat tiettyihin kehon alueisiin. Jos halutaan kohdistaa esimerkiksi ihon jännitettä, voitaisiin käyttää lääkettä, joka avaa tai sulkee pelkästään ihosoluissa ilmaistuja ionikanavia. Virität lääkecocktailin aiheuttamaan erilaisia reaktioita kehon eri osissa.
aloitit tällä alalla tietojenkäsittelytieteilijänä. Näetkö yhtäläisyyksiä tietokoneen koodaamisen ja sähkösignaalien säätämisen välillä biologisessa ympäristössä?
ehdottomasti. Perustavanlaatuisella tasolla välitän järjestelmän tiedonkäsittelystä ja algoritmeista. Sillä ei ole väliä, onko järjestelmä tehty piistä vai elävistä soluista. Itse olen tietojenkäsittelytieteilijä, mutta opiskelen laskennassa ja tiedonkäsittelyssä elävässä mediassa.
ihmiset, joilla on tietojenkäsittelytieteellinen Tausta, ymmärtävät, että informaatiotieteissä olennaista ei ole tietokone itse — se on tapa, jolla se tekee laskutoimituksia. Paljon erilaisia arkkitehtuureja ja hyvin erilaisia prosesseja voidaan käyttää suorittamaan laskenta. Ihmiset ovat tehneet tietokoneita oudoista nesteistä, limamuodeista, jopa muurahaisista. Mielestäni yksi tärkeimmistä asioista, joita tietojenkäsittelytiede voisi opettaa biologian alalla, on tämä ero ohjelmistojen ja laitteiden välillä.
Michael Levinin kollega Dany Adams, joka löysi niin kutsutun sähkökasvon, loi tämän time-lapse-videon, joka paljastaa, miten biosähköiset signaalit auttavat ohjaamaan kasvonpiirteiden rakentamista kehittäessään sammakon alkioita (Xenopus laevis). Käyttämällä fluoresoivia väriaineita, jotka merkitsevät sähköistä potentiaalia, kirkkaat solut ovat hyperpolarisoituneita (negatiivisesti varautuneita) kuin himmeämmät naapurinsa.
biologiassa ja kemiassa ruumiin ”laitteisto” — sen sisällä olevat solut ja molekyylit — on kaikki kaikessa. Mutta meidän täytyy kietoa päämme sen ympärille, että nämä erikoiset laitteet voivat itse asiassa ajaa monia erilaisia ohjelmistoja.
Mitä tarkoitat” ohjelmistolla ” biologisessa mielessä?
”ohjelmisto” tässä tapauksessa on päätökset siitä, miten solut tekevät yhteistyötä tietyn rakenteen tai kudoksen muodostamiseksi. Se voidaan muuttaa. Voit ottaa laakamatoja yhdellä päällä, ja muuttamalla hetkeksi sähkösignaaleja soluissaan, saada ne muistamaan uuden kuvion, joka on kaksi päätä. Huolimatta siitä, että sinulla on samat matosolut, saat erilaisen tuloksen. Ja tällainen ero ohjelmistojen ja laitteiden välillä tulee olemaan todella ratkaiseva, kun käsittelemme suuria regeneratiivisen lääketieteen ja synteettisen biologian kysymyksiä tulevaisuudessa.
mitä sovelluksia tällä voisi olla lääketieteellisessä maailmassa?
mietin sitä paljon. Ilmeisimpiä ovat esimerkiksi syntymävaurioiden korjaaminen. Jos voimme ymmärtää ja manipuloida biosähköistä signalointia, voimme mahdollisesti korjata asioita, jotka menevät pieleen alkion muodostuessa. Siinä oli yksi. Olemme itse asiassa aiheuttaneet joitakin sikiövaurioita eläinten alkioihin laboratoriossa-ja korjanneet ne-muuttamalla tiettyjen solujen sähköistä potentiaalia.
toinen taistelee syöpää vastaan. Biosähkösignaaleja tutkitaan paljon syöpäsolujen aiheuttajana ja vaimentajana. Voit normalisoida tiettyjä kasvaimia altistamalla ne tietyille lääkkeille, jotka muuttavat niiden sähköistä potentiaalia. Riippuen yhdisteitä käytät, voit valikoivasti vaikuttaa vain tietyntyyppisiä soluja, kuten ne kasvain, jättäen ympäröivän kudoksen ehjä. Se on aika lailla valmis testattavaksi hiirimalleissa.
kolmas alue on regeneratiivinen lääketiede. Jos voimme käyttää sähköistä signalointia vakuuttaaksemme kudokset ja elimet kasvamaan loukkaantumisen jälkeen, voisimme korvata kokonaisia rakenteita tai elimiä potilaille. Bioelectricity antaa sinulle suuri Uusi joukko control nupit, joilla säädellä solun käyttäytymistä. On paljon helpompaa rakentaa biologisia rakenteita sopiviksi, kun ymmärrämme nämä suurikokoiset säätelijät, kuten sähkösignaalin.
toimittajan huomautus: Juttua päivitetty 8/10/18, jotta voitiin huomata Levinin rooli Tuftsin Allen Discovery Centerin johtajana ja korjata kirjoitusvirhe solun ionien kuvauksessa. Myös kuvausta siitä, miten nuijapäät uivat vastauksena mustiin kolmioihin LCD-näytöllä, selvennettiin.