a tizenkilencedik század elején az elektromosság természete rejtély maradt a tudósok számára. A korszak kísérletei azt mutatták, hogy egy szikra megrándíthatja a halott békák izmait, vagy akár az emberi holttesteket görcsökké teheti — természetfeletti takarmány, amely inspirálhatta Mary Shelley híres regényét, Frankenstein. Több mint 200 évvel később még mindig nem teljesen tisztázott, hogy az elektromosság hogyan hat az emberi testre. Nyilvánvaló azonban, hogy az elektromos jelek nagy szerepet játszanak a test korai fejlődésében.
olyan tudósok, mint Michael Levin, a Tufts Egyetemről felfedezték, hogy a sejtes töltések szabályozzák, hogyan és hol alakul ki egy szerkezet a fejlődő embrióban. Még meglepőbb, hogy úgy találta, hogy a testi formákat csak a sejtek feszültségmintáinak megváltoztatásával lehet manipulálni.
ezzel az alapvető technikával Levin és kollégái sikeresen növesztettek működő harmadik szemet az ebihalak hátán. Agykárosodást váltottak ki a béka embriókban azáltal, hogy blokkolták a kulcsfontosságú idegi struktúrák kialakulását — majd megfordították a károsodást a fejlődő agysejtek elektromos töltésének megváltoztatásával. Bár ez a munka még mindig mélyen kísérleti jellegű, Levin úgy véli, hogy jelentős hatással lehet az orvostudomány, a biológia és a biokémia területére. Azt képzeli, hogy egy nap bioelektromosságot használ a méh születési rendellenességeinek visszafordítására, rák kezelésére vagy akár új végtagok növesztésére az amputáltakon.
Levin, a Tufts Allen Discovery Center igazgatója és a 2017 éves Biomedical Engineering Review című cikk társszerzője a közelmúltban beszélt a Knowable magazinnak a bioelektromos kutatás állapotáról és a jövőbeli kilátásokról szóló gondolatairól. Ezt a beszélgetést hosszasan és érthetően szerkesztettük.
a biológia összefüggésében mit jelent valójában az “elektromos jel”?
Nos, a membrán, amely körülveszi minden sejt, vannak beágyazott fehérjék, amelyek képesek mozgatni ionok — töltött atomok — be és ki a sejtből. Olyan dolgok, mint a kálium, klorid, nátrium, protonok stb. És elkerülhetetlenül, ha több töltött iont adunk a membrán egyik oldalához, elektromos potenciált generálunk a sejt felszínén. Alapvetően ez történik egy akkumulátorban, ahol az akkumulátor egyik oldala más töltöttségi szinttel rendelkezik, mint a másik.
kiderült, hogy a sejtek valóban használhatják ezeket a töltéseket a kommunikációhoz. Ezek a jelek sokkal lassabban működnek,mint az impulzusok, amelyekről az idegrendszerben szoktunk hallani — ott az információáramlás milliszekundumos időskáláiról beszélünk, de a fejlődési bioelektromosságban percekről vagy akár órákról beszélünk. De végül a sejtek közötti elektromos potenciál meghatározhatja bizonyos szövetek vagy struktúrák fejlődését.
pontosan hogyan befolyásolják ezek az elektromos jelek a test fejlődését?
a bioelektromos jelek egyfajta magas szintű főszabályozó kapcsolóként szolgálnak. A szövetek közötti térbeli eloszlásuk és az intenzitásuk azt jelzi, hogy az embrió egy régiója, oké, szem leszel, vagy egy adott méretű agy leszel, vagy végtag leszel,vagy a test bal oldalán leszel, ilyesmi.
az ebihal farkán lévő gömb valójában egy fejlődő békaszem. Azáltal, hogy a beültetett szövetet bizonyos neurotranszmitter gyógyszereknek tették ki, a tudósok képesek voltak rávenni az idegszövetet, hogy növekedjen belőle. Ez sikeresen kapcsolódik a fejlődő ebihal gerincvelőjéhez, vizuális információkat küld az agynak, és hagyja, hogy az egyébként vak ebihal látjon.
hitel: ALLEN DISCOVERY CENTER, TUFTS Egyetem
valójában láthatjuk őket béka embriókban. Például az elektromosan érzékeny festékek feltárnak egy mintát, amelyet “elektromos arcnak” nevezünk — elektromos gradiensek a szöveten, amelyek meghatározzák, hogy az arc minden része hol fog később kialakulni. Ez olyan, mint egy finom állvány az anatómia főbb jellemzőihez, míg a helyi részletek nagy részét úgy tűnik, hogy más folyamatok töltik ki, amelyek bioelektromossággal járhatnak vagy nem. Ha megváltoztatjuk ezeket az elektromos jeleket egy fejlődő embrióban, az jelentős hatással lehet arra, hogy a struktúrák hogyan és hol alakulnak ki.
tudna példát mondani arra, hogyan működik ez egy adott szerven?
persze. Az egyik dolog, amit néhány évvel ezelőtt meg akartunk vizsgálni, az, hogy az átültetett sejtek és szövetek hogyan fejlődnek idegen környezetben. Az egyik békaembrió korai szemszerkezetét egy másik embrió hátába ültettük. Két dolog érdekelt minket: először is, képes lenne-e a recipiens látni a beültetett szeméből a hátán? Elég-e az agy műanyag ahhoz, hogy valóban láthasson belőle? Másodszor, tudni akartuk, mi lesz ez a szemszerkezet anélkül, hogy agy lenne a közelben? Hol fog kapcsolódni, és mit fognak tenni a neuronok?
azt fedeztük fel, hogy amikor ezt a struktúrát beültetjük egy fejlődő ebihal hátába, a szemsejtek funkcionális retinát és látóideget hoznak létre, amely egyfajta kanyarog körül, és megpróbál csatlakozni a gerincvelőhöz valahol. De ha csökkentjük az implantátumot körülvevő sejtek elektromos potenciálját, a szem szerkezete megőrül, és hatalmas számú új ideget hoz létre belőle.
kiderült, hogy a feltörekvő neuronok képesek olvasni a szövetek elektromos jeleit, amelyeken ülnek. Ha a szövetben lévő sejtek polarizált nyugalmi potenciállal rendelkeznek — ami azt jelenti, hogy negatív töltéseket halmoztak fel minden sejtben—, akkor a beültetett szem látóideget képez, és ez a vége. De ha depolarizáltak, vagy alacsonyabb a töltésük, az jelet ad a neuronoknak, hogy nagyon mélyen növekedjenek. Úgy gondoljuk, hogy ez egy példa arra, hogy a sejtek leolvassák a környezetük elektromos topográfiáját, és ezen információk alapján hozzák meg a növekedési döntéseket.
félbevágva a laposféreg általában újranövesztheti testének hiányzó részeit. A sejtek elektromos töltésének manipulálásával azonban a tudósok ellenőrizhetik, hogy ezek közül melyik rész regenerálódik. Azáltal, hogy megakadályozzák a töltött ionok normális beáramlását és kiáramlását a laposféreg sejtjeiből, hiperpolarizált állapotot hozhatnak létre a regeneráló szövet mindkét oldalán, ami arra készteti a férget, hogy két farkát növesszen. Vagy depolarizált állapotot hozhatnak létre, ami egy második fej kialakulásához vezet az amputált farok helyett.
tehát, ha megváltoztatjuk a bioelektromos jeleket a szem implantátum körül, az belenő az ebihal idegrendszerébe?
Igen. Nem csak teljes szemstruktúrává növekszik, hanem funkcionális is. Ha eltávolítja az ebihal meglévő szemét, az implantátum lehetővé teszi, hogy az egyébként vak állatok lássák a színeket és a mozgó formákat. Tanulmányunkban vak ebihalakat tettünk egy sekély edénybe egy LCD monitor tetejére,és kis fekete háromszögekkel kergettük őket. Az ebihalak következetesen úsztak a háromszögek mozgására reagálva. Nem tudjuk megmondani, hogy ugyanolyan látásélességgel rendelkeznek-e, mint a normál ebihalak, de határozottan látnak az új beültetett szemből.
a tizennyolcadik század közepén tevékenykedő Luigi Galvani alapvető kísérleteket végzett azzal kapcsolatban, hogy az elektromos jelek hogyan aktiválják a test izmait — így egy halott béka lábai megrándulnak, miután elektródákkal zappolták őket (látható)—, és az első tudósok között volt, akik felfedezték a bioelektromosságot.
forrás: LUIGI GALVANI / WIKIMEDIA COMMONS
hogyan lehet manipulálni a sejt vagy a szövetek elektromos állapotát?
meg tudjuk csinálni olyan gyógyszerekkel, amelyek a sejtek ioncsatornáit célozzák meg. Jelenleg az összes gyógyszer mintegy 20%-a ioncsatornás gyógyszerek, olyan dolgok, amelyeket az emberek epilepsziára és más betegségekre szednek, így nem nehéz megtalálni őket. A laborunkban kifejezetten kábítószer-koktélokat készítünk, amelyek a test meghatározott területeit célozzák meg. Ha például a bőr feszültségét akarja megcélozni, használhatunk olyan gyógyszert, amely megnyitja vagy bezárja az ioncsatornákat, amelyek kizárólag a bőrsejtekben expresszálódnak. A kábítószerek koktélját úgy állítja be, hogy különböző reakciókat okozzon a test különböző részein.
akkor kezdődött ezen a területen, mint egy számítógépes tudós. Lát párhuzamot a számítógép kódolása és az elektromos jelek csípése között biológiai körülmények között?
teljesen. Alapvető szinten érdekel az információfeldolgozás és az algoritmusok egy rendszerben. Nem számít, hogy ez a rendszer szilíciumból vagy élő sejtekből áll-e. Számítástechnikus vagyok, de számítástechnikát és információfeldolgozást tanulok az élő médiában.
azok az emberek, akik számítástechnikai háttérrel rendelkeznek, megértik, hogy az információs tudományokban nem maga a számítógép az alapvető, hanem a számítások módja. Számos különböző architektúra és nagyon különböző típusú folyamatok használhatók a számítás elvégzéséhez. Az emberek számítógépeket készítettek furcsa folyadékokból, iszapformákból, még hangyákból is. Tehát úgy gondolom, hogy az egyik legfontosabb dolog, amit a számítástechnika taníthat a biológia területén, ez a különbség a szoftver és a hardver között.
Michael Levin kollégája, Dany Adams, aki felfedezte az úgynevezett elektromos arcot, létrehozta ezt a time-lapse videót, amely feltárja, hogy a bioelektromos jelek hogyan segítik az arcvonások felépítését a béka embriók (Xenopus laevis) fejlesztésében. Az elektromos potenciált jelző fluoreszcens festékek felhasználásával a fényes sejtek hiperpolarizáltak (negatívabb töltésűek), mint dimmer szomszédaik.
a biológiában és a kémiában a test “hardvere” — a benne lévő sejtek és molekulák — minden. De meg kell tekernünk a fejünket azon a tényen, hogy ezek a speciális hardverek valójában sokféle szoftvert futtathatnak.
mit jelent a biológiai értelemben vett “szoftver”?
a “szoftver” ebben az esetben az a döntés, hogy a sejtek hogyan működnek együtt egy bizonyos szerkezet vagy szövet kialakításában. Ezen lehet változtatni. A laposférgeket egy fejjel lehet venni, és a sejtjeikben lévő elektromos jelek rövid megváltoztatásával rávenni őket, hogy emlékezzenek egy új mintára, amelynek két feje van. Annak ellenére, hogy ugyanazok a féregsejtek vannak, más eredményt kap. És ez a fajta különbség a szoftver és a hardver között nagyon fontos lesz, mivel a jövőben a regeneratív orvoslás és a szintetikus biológia nagy kérdéseivel foglalkozunk.
milyen alkalmazásai lehetnek ennek az orvosi világban?
sokat gondolok erre. A legnyilvánvalóbbak olyan dolgok, mint a születési rendellenességek kijavítása. Ha képesek vagyunk megérteni és manipulálni a bioelektromos jelzést, potenciálisan helyrehozhatjuk azokat a dolgokat, amelyek az embrió kialakulásakor elromlanak. Ez egy. A laborban előidéztünk néhány születési rendellenességet állati embriókon — és kijavítottuk őket-bizonyos sejtek elektromos potenciáljának megváltoztatásával.
egy másik a rákkal küzd. Van egy tisztességes mennyiségű kutatás folyik most a bioelektromos jelek, mint mind az oka, mind a potenciális szuppresszor a rákos sejtek. Bizonyos daganatokat normalizálhat úgy, hogy kiteszi őket olyan speciális gyógyszereknek, amelyek megváltoztatják elektromos potenciáljukat. Az alkalmazott vegyületektől függően szelektíven csak bizonyos típusú sejteket érinthet, például a daganatban lévőket, miközben a környező szövetet érintetlenül hagyja. Ez nagyjából készen áll az egérmodellek tesztelésére.
a harmadik terület a regeneratív orvoslás. Ha elektromos jelzést tudunk használni, hogy meggyőzzük a szöveteket és szerveket, hogy növekedjenek a sérülés után, akkor teljes struktúrákat vagy szerveket cserélhetünk a betegek számára. A bioelektromosság nagyszerű új vezérlőgombokat kínál, amelyekkel szabályozhatja a sejtek viselkedését. Sokkal könnyebb lesz biológiai struktúrákat építeni, ha megértjük ezeket a nagy léptékű szabályozókat, mint például az elektromos jelzést.
a szerkesztő megjegyzése: Ezt a cikket frissítették 8/10/18 megjegyezni Levin szerepét igazgatója az Allen Discovery Center at Tufts és kijavítani a hibát a leírás ionok a sejtben. Tisztázták annak leírását is, hogy az ebihalak miként úsztak az LCD-képernyőn megjelenő fekete háromszögekre reagálva.