تقوم خلاياك باستمرار بتوليد الكهرباء وتديرها التي تمر عبر جسمك لأداء وظائف مختلفة. أحد الأمثلة على هذا الجرح الحيوي هو إشارات الأعصاب التي تعمل بأفكارها في عقلك. يتضمن آخرون الإشارات القلبية التي تتحكم في ضرب قلبك ، إلى جانب إشارات أخرى تخبر عضلاتك بالتعاقد.
بصفتنا مهندسين حيويين ، أصبحنا مهتمين بالخلايا الظهارية التي تشكل الجلد البشري والطبقة الخارجية للأنسجة المعوية للناس. هذه الخلايا غير معروفة بأنها قادرة على توليد كهروضوئية. تنص الكتب المدرسية على أنها تعمل في المقام الأول كحاجز ضد مسببات الأمراض والسموم ؛ يُعتقد أن الخلايا الظهارية تؤدي وظائفها بشكل سلبي ، مثل كيفية حماية الغلاف البلاستيكي من الغذاء من التلف.
ومع ذلك ، لمفاجأنا ، وجدنا أن الخلايا الظهارية الجرحى يمكنها نشر الإشارات الكهربائية عبر العشرات من الخلايا التي تستمر لعدة ساعات. في هذا البحث المنشور حديثًا ، تمكنا من إظهار أنه حتى الخلايا الظهارية تستخدم الطاقة الحيوية للتنسيق مع جيرانها عندما تتطلب طوارئ الإصابة. قد يؤدي فهم هذا التطور غير المتوقع في كيفية عمل الجسم إلى تحسين علاجات للجروح.
اكتشاف مصدر جديد للطاقة الحيوية
لا تضحك: بدأ اهتمامنا بهذا الموضوع بشعور من الأمعاء. فكر في كيفية شفاء بشرتك بعد الخدش. قد تبدو الخلايا الظهارية صامتة وهادئة ، لكنها مشغولة بالتنسيق مع بعضها البعض لبثق الخلايا التالفة واستبدالها بأشكال جديدة. لقد اعتقدنا أن الإشارات الكهربائية الحيوية قد تنشر هذا ، لذلك أخبرنا حدسنا أن نبحث عنها.
تقريبا جميع البائعين الذين اتصلنا بهم للحصول على الأداة التي نحتاجها لاختبار فكرتنا حذرنا من تجربة هذه التجارب. وافقت شركة واحدة فقط على التردد. “تجربتك لن تعمل” ، أصروا. إذا قمنا بمحاولة ولم نجد أي شيء يستحق الدراسة ، فقد كانوا يخشون أن يجعل منتجهم يبدو سيئًا.
لكننا أجرينا تجاربنا على أي حال – مع نتائج محيرة.
لقد نمت طبقة من الخلايا الظهارية على شريحة منقوشة مع ما يسمى صفيف الأقطاب الكهربائية الدقيقة – العشرات من الأسلاك الكهربائية الصغيرة التي تقيس حيث تظهر إشارات الكهروضوئية ، ومدى قوة الإشارات وكيف تسافر من بقعة إلى أخرى. بعد ذلك ، استخدمنا ليزرًا لرفع جرح في مكان واحد وبحثنا عن إشارات كهربائية على جزء مختلف من طبقة الخلية.
أكدت عدة ساعات من التسجيل حدسنا: عند مواجهة الحاجة الطارئة لإصلاح نفسها ، تظهر الإشارات الكهربائية الحيوية عندما تحتاج الخلايا الظهارية إلى طريقة سريعة للتواصل عبر مسافات طويلة.
لقد وجدنا أن الخلايا الظهارية الجرحى يمكن أن ترسل إشارات كهروضوئية للخلايا المجاورة على مسافات تزيد عن 40 ضعف طول جسمها مع الفولتية مماثلة لتلك الموجودة في الخلايا العصبية. تشبه أشكال هذه المسامير الجهد أيضًا بأشكال الخلايا العصبية باستثناء حوالي 1000 مرة أبطأ ، مما يشير إلى أنها قد تكون أشكالًا أكثر بدائية من التواصل بين الخلايا على مسافات طويلة.
تشغيل المولد الكهربائي الحيوي
ولكن كيف تولد الخلايا الظهارية كهروضوئية؟
افترضنا أن أيونات الكالسيوم قد تلعب دورًا رئيسيًا. تظهر أيونات الكالسيوم بشكل بارز في أي قائمة جيدة للكتاب المدرسي في علم الأحياء للجزيئات الرئيسية التي تساعد الخلايا على العمل. نظرًا لأن أيونات الكالسيوم تنظم القوى التي تعاقد الخلايا ، وهي وظيفة ضرورية لإزالة الخلايا التالفة بعد الجرح ، افترضنا أن أيونات الكالسيوم يجب أن تكون حاسمة في الكهروضوئية.
لاختبار نظريتنا ، استخدمنا جزيءًا يسمى EDTA يربط بإحكام بأيونات الكالسيوم. عندما أضفنا EDTA إلى الخلايا الظهارية وإزالة أيونات الكالسيوم ، وجدنا أن طفرات الجهد لم تعد موجودة. هذا يعني أن أيونات الكالسيوم كانت ضرورية على الأرجح للخلايا الظهارية لتوليد الإشارات الحيوية التي توجه التئام الجروح.
بعد ذلك ، قمنا بحظر القنوات الأيونية التي تسمح للكالسيوم وغيرها من الأيونات المشحونة بشكل إيجابي بدخول الخلايا الظهارية. نتيجة لذلك ، تم تقليل تواتر وقوة الإشارات الكهربائية التي تنتجها الخلايا الظهارية. تشير هذه النتائج إلى أنه على الرغم من أن أيونات الكالسيوم قد تلعب دورًا حاسمًا بشكل خاص في السماح للخلايا الظهارية بإنتاج كهروضوئية حيوية ، إلا أن الجزيئات الأخرى قد تهم أيضًا.
يمكن أن تساعد المزيد من الأبحاث في تحديد تلك القنوات والمسارات الأخرى التي تسمح للخلايا الظهارية بتوليد كهروضوئية.
تحسين التئام الجروح
اكتشافنا بأن الخلايا الظهارية يمكنها التحدث كهربائيًا أثناء الأزمة دون المساس بدورها الأساسي كحاجز يفتح أبوابًا لطرق جديدة لعلاج الجروح.
لقد أثبت العمل السابق من باحثين آخرين أنه من الممكن تعزيز التئام الجروح في الجلد والأنسجة المعوية عن طريق تحفيزها كهربائيًا. لكن هذه الدراسات استخدمت الترددات الكهربائية عدة مرات عديدة مما وجدناه الخلايا الظهارية التي تنتجها بشكل طبيعي. نتساءل ما إذا كان إعادة تقييم وتكرير ظروف التحفيز الكهربائي الأمثل قد يساعد في تحسين الأجهزة الطبية الحيوية لشفاء الجروح.
علاوة على ذلك على طريق الاحتمال ، نتساءل عما إذا كانت الخلايا الفردية المحفزة كهربائياً قد توفر إمكانات شفاء أكبر. حاليًا ، قام الباحثون بتحفيز الأنسجة بأكملها لعلاج الإصابة. إذا استطعنا توجيه هذه الإشارات الكهربائية للذهاب على وجه التحديد إلى حيث هناك حاجة إلى علاج ، فهل سيكون تحفيز الخلايا الفردية أكثر فاعلية في علاج الجروح؟
أملنا هو أن تصبح هذه النتائج حالة كلاسيكية من العلم الذي يحركه الفضول يؤدي إلى اكتشاف مفيد. على الرغم من أن حلمنا قد يحمل خطرًا كبيرًا من الفشل ، إلا أنه يوفر أيضًا مكافآت عالية.
يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة ، وهي مؤسسة إخبارية مستقلة غير ربحية تجلب لك الحقائق والتحليلات الجديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتبه: Sun-Min Yu ، Umass Amherst وستيف جرانيك ، Umass Amherst
اقرأ المزيد:
لا يعمل المؤلفون على الأسهم أو استشارةها أو تلقيها من أي شركة أو مؤسسة ستستفيد من هذه المقالة ، ولم تكشف عن أي انتماءات ذات صلة تتجاوز تعيينها الأكاديمي.