能讓肢體再生的電流

趙敏

影響一生的旅行

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

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

萊文動機的源頭要從1986年夏天的一場世博會說起，當時十幾歲的萊文跟隨父親參加了介紹機器人和磁懸浮列車的溫哥華世博會，然而這場世博會的內(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實驗，由于火蜥蜴具有肢體再生的能力，而青蛙卻沒有這種能力，所以他把這兩種動物作為實驗對象。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。兩種動物傷口處的電壓變化開始是一樣的，但當火蜥蜴開始再生自己斷掉的四肢時，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，它是否也會重新長出被砍掉的肢體？雖然他認為結(jié)果是確定的，但限于當時的條件，貝克爾沒有辦法做更精確的實驗。

這個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。

追尋生物電

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

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

直到2000年，萊文的想法終于得到了印證。在萊文當時的實驗室里，有一個儀器可以根據(jù)細胞電位的不同，讓它們發(fā)出紅、綠、黃、藍不同顏色的熒光。萊文將這個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一樣，指明了身體的方向，不同的電位告訴胚胎干細胞發(fā)育生長的方向。

這一發(fā)現(xiàn)的影響是巨大的，因為如果我們能夠找到影響基因表達合適的電壓，那么我們就可以決定身體的器官在何時、哪個位置長出來。如果一個年輕的士兵在戰(zhàn)場上失去了手臂，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，但是作為一個新的研究方向，我們對它的了解是遠遠不夠的。因此，萊文做了許多的實驗，那些雙頭的蠕蟲和多腿的青蛙等等都是這些實驗的產(chǎn)物。

改變生物電

每個細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入或退出細胞。當離子從薄膜的一邊穿梭到另一邊時，就會產(chǎn)生電流。如果沒有這種流動，我們的心臟就不會跳動;如果沒有這種流動，我們的神經(jīng)就不會把信號從大腦傳遞到肢體。這種跨膜電位使我們得以生存。

為了證明電在基因表達中起了關(guān)鍵的作用，我們需要改變這些離子在細胞內(nèi)外的移動。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出了眼睛。當你觀察胚胎的時候，你會發(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長出眼睛。

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)細胞重新開始分化，長出新的手臂。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)域的電場研究現(xiàn)在還被認為是邊緣學(xué)科，研究上的困難導(dǎo)致了這個學(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，它們必須在活體細胞中才能被精確定位，而不是細胞殘片或保存下來的樣本中。如果想要通過冷凍細胞或提取蛋白質(zhì)、RNA來檢測電信號，這些信號反而會消失。其次是找到合適的動物模型。許多實驗室在使用的都是一種具有超強再生能力的蠕蟲，但是這種蠕蟲的超強再生能力使人搞不清楚是否是因為調(diào)整了生物電才增強了動物的再生。因此，萊文的實驗室已經(jīng)轉(zhuǎn)向其他的動物模型系統(tǒng)，比如爪蛙、小雞胚胎和人類的干細胞。

當然，溫血動物的血壓比爬行動物高得多，如果傷口沒有被結(jié)痂覆蓋，出血的風(fēng)險是巨大的。第二，溫血動物的四肢往往長得更慢，使感染的風(fēng)險增加，人體感染炎癥就會抑制細胞的增長。此外，如果想要改變傷口處的電壓，傷口就必須保持濕潤，以便那些改變離子通道的藥物能夠影響傷口處的細胞。因為空氣會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國立衛(wèi)生研究院的大力支持，因為這改變了人們對于生物學(xué)的整體看法，可能開創(chuàng)生物學(xué)的新領(lǐng)域，甚至可能會帶來新的醫(yī)學(xué)治療方法。

萊文的研究可能會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)的癌細胞變回正常細胞，并因此登上了全球新聞頭條。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)致了它們的生長和擴散。也許有一天我們可以通過誘導(dǎo)異常細胞變回正常組織的方法代替化療。

生物電信號技術(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，在未來的25年，這一想法可以實現(xiàn)。