Як електричні сигнали можуть допомогти відновлювати пошкоджені тканини

Коли люди­на отри­мує поріз, клі­ти­ни нав­ко­ло рани почи­на­ють узго­дже­но реа­гу­ва­ти на пошко­дже­н­ня. Вони змі­ню­ють актив­ність, пере­мі­щу­ю­ться до потрі­бної ділян­ки та беруть участь у від­нов­лен­ні тка­нин. У цьому про­це­сі важли­ву роль віді­гра­ють не лише хімі­чні речо­ви­ни й гени, а й еле­ктри­чні явища, які вини­ка­ють на клі­тин­них мем­бра­нах і в нав­ко­ли­шньо­му середовищі.

Учені дослі­джу­ють, чи можна впли­ва­ти на ці еле­ктри­чні сигна­ли, щоб спря­мо­ву­ва­ти пове­дін­ку клі­тин і покра­щу­ва­ти реге­не­ра­цію. Це пер­спе­ктив­ний напрям біо­еле­ктри­чної меди­ци­ни, але його не слід плу­та­ти з гото­вою техно­ло­гі­єю, яка вже зда­тна від­нов­лю­ва­ти будь-які орга­ни. Частина резуль­та­тів отри­ма­на в лабо­ра­тор­них екс­пе­ри­мен­тах і дослі­дже­н­нях на тва­ри­нах, а пере­не­се­н­ня таких мето­дів у клі­ні­чну пра­кти­ку потре­бує дода­тко­вих перевірок.

Клітини спілкуються не лише за допомогою хімічних сигналів

Клітинна мем­бра­на роз­ді­ляє вну­трі­шнє сере­до­ви­ще клі­ти­ни та про­стір нав­ко­ло неї. По оби­два боки мем­бра­ни кон­цен­тра­ції заря­дже­них части­нок — іонів — від­рі­зня­ю­ться. Завдяки цьому вини­кає різни­ця еле­ктри­чних потен­ці­а­лів. Коли іони руха­ю­ться через спе­ці­аль­ні кана­ли, еле­ктри­чний стан клі­ти­ни змі­ню­є­ться, впли­ва­ю­чи на різні біо­ло­гі­чні процеси.

У нер­во­вих і м’язових клі­ти­нах еле­ктри­чні сигна­ли давно відо­мі як осно­ва пере­да­ва­н­ня імпуль­сів і ско­ро­че­н­ня м’язів. Проте еле­ктри­чні вла­сти­во­сті мають і бага­то інших клі­тин. Вони можуть реа­гу­ва­ти на зміни напру­ги мем­бра­ни, іон­но­го скла­ду та еле­ктри­чних полів у нав­ко­ли­шніх тканинах.

Ці про­це­си не пра­цю­ють окре­мо від решти біо­ло­гії. Електричні сигна­ли вза­є­мо­ді­ють із хімі­чни­ми пові­дом­ле­н­ня­ми, меха­ні­чни­ми вла­сти­во­стя­ми тка­нин і регу­ля­ці­єю актив­но­сті генів. Саме тому дослі­дни­ки роз­гля­да­ють біо­еле­ктри­чність як одну з систем, за допо­мо­гою яких клі­ти­ни коор­ди­ну­ють свою поведінку.

Як електричне поле допомагає клітинам знаходити пошкодження

Коли тка­ни­на пошко­джу­є­ться, пору­шу­є­ться цілі­сність клі­тин­них мем­бран і змі­ню­є­ться рух іонів у при­ле­глих ділян­ках. У резуль­та­ті біля рани може вини­ка­ти слаб­ке еле­ктри­чне поле. Воно допов­нює хімі­чні сигна­ли, які пові­дом­ля­ють клі­ти­нам про пошко­дже­н­ня, і потен­цій­но впли­ває на напря­мок їхньо­го руху.

Деякі клі­ти­ни зда­тні реа­гу­ва­ти на еле­ктри­чне поле, змі­ню­ю­чи напря­мок пере­мі­ще­н­ня. Це явище нази­ва­ють еле­ктро­та­кси­сом. У лабо­ра­тор­них дослі­дже­н­нях учені спо­сте­рі­га­ли, як під впли­вом еле­ктри­чно­го поля клі­ти­ни шкіри та інші типи клі­тин руха­ю­ться в пев­но­му напрям­ку. Такі резуль­та­ти допо­ма­га­ють зро­зу­мі­ти, як клі­ти­ни можуть коор­ди­ну­ва­ти від­нов­ле­н­ня пошко­дже­ної ділянки.

Однак еле­ктри­чне поле не є уні­вер­саль­ним наві­га­то­ром, який авто­ма­ти­чно спря­мо­вує всі клі­ти­ни до рани. Реакція зале­жить від типу клі­тин, сили та напрям­ку поля, скла­ду нав­ко­ли­шньо­го сере­до­ви­ща й інших сигна­лів. Крім того, пове­дін­ка клі­тин у лабо­ра­тор­ній чашці не зав­жди від­тво­рює скла­дні умови живої тканини.

Чи можна прискорити загоєння за допомогою електрики

Якщо еле­ктри­чні сигна­ли впли­ва­ють на рух і актив­ність клі­тин, вини­кає логі­чне запи­та­н­ня: чи можна ство­ри­ти зов­ні­шнє еле­ктри­чне поле, яке допо­мо­же орга­ні­зму від­нов­лю­ва­ти­ся? Саме це дослі­джує напрям, відо­мий як еле­ктри­чна сти­му­ля­ція заго­є­н­ня ран.

Для таких екс­пе­ри­мен­тів вико­ри­сто­ву­ють еле­ктро­ди, які ство­рю­ють кон­тро­льо­ва­ний еле­ктри­чний вплив на тка­ни­ни. Учені пере­ві­ря­ють, чи змі­нює він пере­мі­ще­н­ня клі­тин, фор­му­ва­н­ня нових судин, запаль­ні реа­кції та утво­ре­н­ня нової тка­ни­ни. У лабо­ра­тор­них моде­лях і части­ні дослі­джень на людях отри­ма­но резуль­та­ти, які свід­чать про можли­ву користь еле­ктри­чної сти­му­ля­ції для заго­є­н­ня пев­них ран.

Проте резуль­та­ти клі­ні­чних дослі­джень нео­дно­рі­дні. Вони зале­жать від типу рани, пара­ме­трів сти­му­ля­ції, три­ва­ло­сті ліку­ва­н­ня та супу­тніх мето­дів догля­ду. Тому еле­ктри­чну сти­му­ля­цію не можна вва­жа­ти уні­вер­саль­ним спосо­бом при­ско­ре­н­ня заго­є­н­ня. Для кон­кре­тних меди­чних пока­зань потрі­бні нале­жні клі­ні­чні дока­зи, а сам метод має засто­со­ву­ва­ти­ся з ура­ху­ва­н­ням реко­мен­да­цій фахівців.

Важливо також не плу­та­ти еле­ктри­чну сти­му­ля­цію з пода­ва­н­ням стру­му без­по­се­ре­дньо на будь-яку пошко­дже­ну ділян­ку. Ефект зале­жить від точних пара­ме­трів впли­ву, а непра­виль­но піді­бра­на сти­му­ля­ція може бути неефе­ктив­ною або пошко­джу­ва­ти тканини.

Що досліди на тваринах розповідають про регенерацію

Особливо ціка­ві резуль­та­ти дослі­джень орга­ні­змів, зда­тних від­нов­лю­ва­ти втра­че­ні части­ни тіла. Наприклад, аксо­ло­тлі можуть реге­не­ру­ва­ти кін­ців­ки, а деякі види пла­на­рій — від­нов­лю­ва­ти зна­чну части­ну тіла після поді­лу. Учені вивча­ють, як клі­ти­ни визна­ча­ють місце пошко­дже­н­ня, узго­джу­ють поділ і пере­мі­ще­н­ня та від­нов­лю­ють пра­виль­ну стру­кту­ру органа.

Біоелектричні меха­ні­зми роз­гля­да­ють як один із чин­ни­ків, що можуть брати участь у цих про­це­сах. Зміни мем­бран­но­го потен­ці­а­лу й руху іонів зда­тні впли­ва­ти на сигналь­ні систе­ми клі­тин, актив­ність генів і фор­му­ва­н­ня тка­нин. Експерименти на модель­них орга­ні­змах допо­ма­га­ють з’я­со­ву­ва­ти, як еле­ктри­чні сигна­ли вза­є­мо­ді­ють із гене­ти­чни­ми про­гра­ма­ми розвитку.

Проте зда­тність аксо­ло­тля від­нов­лю­ва­ти кін­ців­ку не озна­чає, що ана­ло­гі­чний резуль­тат можна отри­ма­ти в люди­ни за допо­мо­гою еле­ктри­чно­го при­строю. Регенерація зале­жить від бага­тьох меха­ні­змів, зокре­ма від імун­ної від­по­віді, вла­сти­во­стей стов­бу­ро­вих клі­тин, стру­кту­ри тка­нин і регу­ля­ції росту. Навіть якщо пев­ний біо­еле­ктри­чний меха­нізм вияви­ться важли­вим для одно­го виду, його роль у люд­сько­му орга­ні­змі необ­хі­дно пере­ві­ря­ти окремо.

Чи зможуть електричні сигнали відновлювати цілі органи

У пер­спе­кти­ві дослі­дже­н­ня біо­еле­ктри­чно­сті можуть допо­мог­ти ство­ри­ти мето­ди точні­шо­го керу­ва­н­ня клі­тин­ною пове­дін­кою. Наприклад, учені можуть шука­ти спосо­би спря­мо­ву­ва­ти клі­ти­ни до пошко­дже­ної ділян­ки, регу­лю­ва­ти фор­му­ва­н­ня тка­нин або покра­щу­ва­ти вза­є­мо­дію між клі­ти­на­ми та біо­ма­те­рі­а­ла­ми. Це може бути кори­сним для реге­не­ра­тив­ної меди­ци­ни, заго­є­н­ня скла­дних ран і роз­ро­бле­н­ня нових тка­нин­них конструкцій.

Окремий напрям — поєд­на­н­ня еле­ктри­чної сти­му­ля­ції з біо­ма­те­рі­а­ла­ми, які ство­рю­ють під­три­му­валь­не сере­до­ви­ще для клі­тин. Такі мате­рі­а­ли можуть забез­пе­чу­ва­ти меха­ні­чну осно­ву для від­нов­ле­н­ня тка­ни­ни, а еле­ктри­чний вплив — змі­ню­ва­ти актив­ність клі­тин у межах дослі­джу­ва­но­го про­це­су. Однак ефе­ктив­ність зале­жить від кон­кре­тно­го мате­рі­а­лу, типу тка­ни­ни й спосо­бу стимуляції.

Найскладніше зав­да­н­ня — від­но­ви­ти не про­сто масу тка­ни­ни, а її пра­виль­ну будо­ву та фун­кцію. Щоб від­тво­ри­ти скла­дний орган, недо­ста­тньо зму­си­ти клі­ти­ни рости. Потрібно забез­пе­чи­ти пра­виль­не роз­та­шу­ва­н­ня різних типів клі­тин, фор­му­ва­н­ня кро­во­но­сних судин, нер­во­вих зв’яз­ків і фун­кціо­наль­них стру­ктур. Усе це має пра­цю­ва­ти узгоджено.

Тому еле­ктри­чні сигна­ли не є чарів­ним засо­бом реге­не­ра­ції, але вони від­кри­ва­ють важли­ве вікно в те, як орга­нізм коор­ди­нує від­нов­ле­н­ня. Дослідження пока­зу­ють, що еле­ктри­чні про­це­си — не виня­тко­ва вла­сти­вість нер­во­вої систе­ми, а части­на скла­дної кому­ні­ка­ції між клі­ти­на­ми. Якщо вче­ним вда­сться точні­ше зро­зу­мі­ти ці меха­ні­зми та навчи­ти­ся без­пе­чно ними керу­ва­ти, вони можуть стати одним з інстру­мен­тів май­бу­тньої реге­не­ра­тив­ної медицини.