能讓肢體再生的電流

趙敏

影響一生的旅行

一只尾巴上長(zhǎng)眼睛的蝌蚪，擁有兩個(gè)頭的蠕蟲，還有六條腿的青蛙，當(dāng)這些動(dòng)物一起出現(xiàn)時(shí)，你一定以為自己闖入了怪奇動(dòng)物世界中。然而這些生物不是科幻作品中虛構(gòu)的怪獸，而是美國(guó)塔夫茨大學(xué)的生物學(xué)家邁克爾·萊文在自己的實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造的。

現(xiàn)在就讓我們一起來了解一下萊文為什么要?jiǎng)?chuàng)造這些奇怪的動(dòng)物吧！

萊文動(dòng)機(jī)的源頭要從1986年夏天的一場(chǎng)世博會(huì)說起，當(dāng)時(shí)十幾歲的萊文跟隨父親參加了介紹機(jī)器人和磁懸浮列車的溫哥華世博會(huì)，然而這場(chǎng)世博會(huì)的內(nèi)容并沒有引起萊文太大的興趣，真正改變他一生的是他在旅途中發(fā)現(xiàn)的一本不起眼的二手書，這本書是羅伯特·貝克爾和加里·塞爾登合著的《身體電：電磁與生命的基礎(chǔ)》。貝克爾是美國(guó)退伍軍人管理局的一名整形外科醫(yī)生，他非常關(guān)注我們的身體和體內(nèi)微電流、電位變化的相互影響。

在這本書中，貝克爾提及了他做過的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，由于火蜥蜴具有肢體再生的能力，而青蛙卻沒有這種能力，所以他把這兩種動(dòng)物作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。他將青蛙和火蜥蜴的肢體砍掉，并在傷口部位安裝了電壓表。兩種動(dòng)物傷口處的電壓變化開始是一樣的，但當(dāng)火蜥蜴開始再生自己斷掉的四肢時(shí)，火蜥蜴?zhèn)谔幍碾妷簠s突然下降了很多，而青蛙卻沒有變化。貝克爾想知道，如果改變青蛙體內(nèi)的電壓，它是否也會(huì)重新長(zhǎng)出被砍掉的肢體？雖然他認(rèn)為結(jié)果是確定的，但限于當(dāng)時(shí)的條件，貝克爾沒有辦法做更精確的實(shí)驗(yàn)。

這個(gè)問題在十幾歲的萊文心里埋下了一顆種子。十幾年后，這顆種子使萊文在生物電研究方面做出了重大的貢獻(xiàn)。

追尋生物電

成年后的萊文一直試圖解決一個(gè)困擾了科學(xué)界幾個(gè)世紀(jì)的謎題：胚胎細(xì)胞在分化時(shí)是如何知道我們的心臟、肝臟和膽囊應(yīng)該長(zhǎng)在身體的哪一側(cè)？

在歷史上，許多人在出生時(shí)就有一些甚至全部的器官錯(cuò)位，如心臟靠右生長(zhǎng)，但這些器官仍能正常工作。到底是哪里出了問題，才讓這些器官生長(zhǎng)的位置出現(xiàn)了變化。雖然遺傳學(xué)界一直聲稱基因表達(dá)決定了器官生長(zhǎng)的位置，但萊文認(rèn)為生物體內(nèi)的微電流一定影響了基因表達(dá)的位置。例如，電壓的變化告訴了蜥蜴尾部的細(xì)胞：現(xiàn)在你們需要在這里長(zhǎng)出一個(gè)尾巴。

直到2000年，萊文的想法終于得到了印證。在萊文當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)室里，有一個(gè)儀器可以根據(jù)細(xì)胞電位的不同，讓它們發(fā)出紅、綠、黃、藍(lán)不同顏色的熒光。萊文將這個(gè)儀器使用到小雞胚胎上，小雞胚胎上紅色和橙色熒光的分布代表了兩側(cè)電壓的不同。電位的不同就像路標(biāo)一樣，指明了身體的方向，不同的電位告訴胚胎干細(xì)胞發(fā)育生長(zhǎng)的方向。

這一發(fā)現(xiàn)的影響是巨大的，因?yàn)槿绻覀兡軌蛘业接绊懟虮磉_(dá)合適的電壓，那么我們就可以決定身體的器官在何時(shí)、哪個(gè)位置長(zhǎng)出來。如果一個(gè)年輕的士兵在戰(zhàn)場(chǎng)上失去了手臂，我們也許可以通過這種方法，讓斷掉的肢體重新生長(zhǎng)出來。這一發(fā)現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的遺傳學(xué)觀念，并且擁有著巨大的醫(yī)學(xué)潛力，但是作為一個(gè)新的研究方向，我們對(duì)它的了解是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，萊文做了許多的實(shí)驗(yàn)，那些雙頭的蠕蟲和多腿的青蛙等等都是這些實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物。

改變生物電

每個(gè)細(xì)胞的表面都有被稱為離子通道的中空蛋白質(zhì)，離子通過這些通路進(jìn)入或退出細(xì)胞。當(dāng)離子從薄膜的一邊穿梭到另一邊時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電流。如果沒有這種流動(dòng)，我們的心臟就不會(huì)跳動(dòng);如果沒有這種流動(dòng)，我們的神經(jīng)就不會(huì)把信號(hào)從大腦傳遞到肢體。這種跨膜電位使我們得以生存。

為了證明電在基因表達(dá)中起了關(guān)鍵的作用，我們需要改變這些離子在細(xì)胞內(nèi)外的移動(dòng)。為此，萊文使用了一些儀器，可以阻斷或增加離子通道。通過這種方式，萊文讓蝌蚪在腸子上長(zhǎng)出了眼睛。當(dāng)你觀察胚胎的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)有一種特定的生物電模式確定了眼睛應(yīng)該生長(zhǎng)的位置，如果我們將同樣的生物電模式建立在其他的位置，那么該位置同樣也會(huì)長(zhǎng)出眼睛。

我們可以用改變離子通道的藥物來處理斷掉手臂的傷口處，傷口處電壓的變化也許可以誘導(dǎo)細(xì)胞重新開始分化，長(zhǎng)出新的手臂。萊文接下來的任務(wù)就是要找到能夠使手臂重新生長(zhǎng)的生物電模式，但是這并不容易。

未來的困難與潛力

雖然神經(jīng)電現(xiàn)象的研究在蓬勃發(fā)展，但是再生肢體和傷口愈合領(lǐng)域的電場(chǎng)研究現(xiàn)在還被認(rèn)為是邊緣學(xué)科，研究上的困難導(dǎo)致了這個(gè)學(xué)科發(fā)展緩慢。

首先，在生物組織中發(fā)現(xiàn)生物電并不容易，它們必須在活體細(xì)胞中才能被精確定位，而不是細(xì)胞殘片或保存下來的樣本中。如果想要通過冷凍細(xì)胞或提取蛋白質(zhì)、RNA來檢測(cè)電信號(hào)，這些信號(hào)反而會(huì)消失。其次是找到合適的動(dòng)物模型。許多實(shí)驗(yàn)室在使用的都是一種具有超強(qiáng)再生能力的蠕蟲，但是這種蠕蟲的超強(qiáng)再生能力使人搞不清楚是否是因?yàn)檎{(diào)整了生物電才增強(qiáng)了動(dòng)物的再生。因此，萊文的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)轉(zhuǎn)向其他的動(dòng)物模型系統(tǒng)，比如爪蛙、小雞胚胎和人類的干細(xì)胞。

當(dāng)然，溫血?jiǎng)游锏难獕罕扰佬袆?dòng)物高得多，如果傷口沒有被結(jié)痂覆蓋，出血的風(fēng)險(xiǎn)是巨大的。第二，溫血?jiǎng)游锏乃闹L(zhǎng)得更慢，使感染的風(fēng)險(xiǎn)增加，人體感染炎癥就會(huì)抑制細(xì)胞的增長(zhǎng)。此外，如果想要改變傷口處的電壓，傷口就必須保持濕潤(rùn)，以便那些改變離子通道的藥物能夠影響傷口處的細(xì)胞。因?yàn)榭諝鈺?huì)造成傷口處干燥和引發(fā)感染問題，傷口也必須要隔絕空氣。

雖然這一領(lǐng)域的研究困難重重，但是萊文的研究還是得到了美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的大力支持，因?yàn)檫@改變了人們對(duì)于生物學(xué)的整體看法，可能開創(chuàng)生物學(xué)的新領(lǐng)域，甚至可能會(huì)帶來新的醫(yī)學(xué)治療方法。

萊文的研究可能會(huì)為癌癥治療提供一種新的出路。2016年3月，他和他的同事們利用光來操縱生物電位，成功地讓青蛙體內(nèi)的癌細(xì)胞變回正常細(xì)胞，并因此登上了全球新聞?lì)^條。萊文說，許多癌癥腫瘤具有異常的生物電位。他相信，正是這種不穩(wěn)定的電位導(dǎo)致了它們的生長(zhǎng)和擴(kuò)散。也許有一天我們可以通過誘導(dǎo)異常細(xì)胞變回正常組織的方法代替化療。

生物電信號(hào)技術(shù)還可以逆轉(zhuǎn)胚胎出生缺陷，比如青蛙的前腦畸形，這種缺陷與父母酗酒導(dǎo)致的人類胚胎缺陷相似。

醫(yī)生們已經(jīng)開始使用離子通道藥物來治療某些心臟病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病了。在未來，這些藥物或許可以被用來治療癌癥和矯正出生缺陷。萊文保守地估計(jì)，在未來的25年，這一想法可以實(shí)現(xiàn)。