Медиатека

14.08.2023

Исцеляющая искра: потенциал биоэлектричества в диагностике и терапии

Электрофизиология увлекла как научное, так и медицинское сообщество. От пульсирующих ритмов сердца и сложных сигнальных сетей мозга до заживления ран и формирования нашего тела — биоэлектричество играет важную роль в функционировании всего организма. Теперь мы можем использовать эту удивительную силу для клинических применений. Давайте узнаем, как биоэлектричество постепенно меняет ландшафт современной медицины, раскрывая свой потенциал в диагностике и терапии.

Диагностика: ЭЭГ, ЭКГ

Одним из первых клинических применений биоэлектричества оказалась, как ни странно, электрокардиограмма (ЭКГ). Электрокардиография опирается на биоэлектрические свойства сердечной мышцы: ионные токи генерируют электрические сигналы, распространяющиеся по сердцу и вызывающие его сокращение. Специальные электроды на поверхности тела регистрируют эти сигналы, которые затем записываются в виде характерных волн. С их помощью можно оценить сердечный ритм и выявить отклонения. Основная цель ЭКГ — обеспечить неинвазивную и быструю оценку электрической активности сердца, помогая в диагностике, мониторинге и лечении сердечных заболеваний, таких как аритмия, инфаркт миокарда и нарушение проводимости (рис. 1). ¹

Рис. 1. Схема расположения электродов, зубцы ЭКГ (P, Q, R, S, T) и процессы, которые они отображают.

Электроэнцефалография (ЭЭГ) работает по схожему принципу: электроды помещаются на кожу головы для записи электрических сигналов, генерируемых коллективной активностью нейронов головного мозга. Аппарат ЭЭГ отображает их в виде характерных волн, включая альфа-, бета-, дельта-, гамма- и тета-волны. Анализируя частоту, амплитуду и пространственное распределение этих волн, можно получить представление о различных состояниях мозга, таких как уровни возбуждения, стадии сна, когнитивные процессы и различные аномалии (рис. 2).²

Рис. 2. Схема расположения электродов ЭЭГ и ритмы головного мозга.

С помощью биоэлектричества мы можем не только оценивать сердечную и мозговую деятельность, но и влиять на работу этих органов при различных нарушениях.

Искусственные пейсмейкеры

Искусственные кардиостимуляторы, или искусственные водители ритма, – это медицинские устройства, которые произвели революцию в лечении нарушений сердечного ритма и спасли бесчисленное количество жизней. Они служат электронными заменителями естественных водителей ритма сердца – пейсмекеров – и контролируют регулярность и время его сокращений.

Электрокардиостимулятор непрерывно контролирует электрическую активность сердца. При обнаружении аномального ритма он подаёт точно рассчитанные по времени электрические импульсы по электродам, чтобы стимулировать сердечную мышцу и восстановить правильный ритм, обеспечивая адекватный приток крови в тело. Искусственные кардиостимуляторы значительно улучшили качество жизни людей с нарушениями сердечного ритма (рис. 3).

Ранние кардиостимуляторы представляли собой громоздкие внешние устройства, которые часто требовали подключения пациента к внешнему источнику питания. Современные кардиостимуляторы гораздо меньше и могут быть полностью имплантированы внутрь тела. Они позволяют регулировать частоту сердечных сокращений в зависимости от уровня физической активности, имеют программируемые параметры с учетом индивидуальных потребностей пациентов, а также могут записывать данные о сердечной деятельности. Эта информация даёт медицинским работникам возможность анализировать эффективность устройства и корректировать настройки.³

Рис. 3. Устройство электрокадиостимулятора.

Аппараты для глубокой стимуляции мозга (DBS), как и кардиостимуляторы, являются медицинскими имплантатами, обеспечивающими целенаправленную электрическую стимуляцию определённых областей мозга (рис. 4). Аппарат DBS доставляет электрические импульсы в целевую область мозга через электроды. Эти импульсы модулируют и регулируют аномальную активность нейронов, лежащую в основе неврологического расстройства. Стимуляция помогает нормализовать сигналы мозга, облегчая симптомы и улучшая качество жизни пациента. Настройки аппарата, включая интенсивность, частоту и продолжительность стимуляции, настраиваются в зависимости от состояния и реакции пациента.

Рис. 4. Устройство аппарата DBS.

Электростимуляторы головного мозга продемонстрировали успехи в облегчении симптомов, связанных с такими расстройствами, как тремор, болезнь Паркинсона, эпилепсия, а также ОКР и депрессивное расстройство. Однако важно помнить, что мозг — гораздо более сложная структура, чем сердце, поэтому результаты терапии аппаратом DBS невозможно предсказать. Некоторые пациенты сталкиваются с побочными эффектами. Области мозга, на которые воздействуют электризацией, вовлечены и в другие процессы, кроме целевого расстройства. Побочные эффекты могут быть как безобидными (например, внезапное пристрастие к определённой музыке), так и гораздо более серьёзными. Некоторые исследователи описывают DBS как эффективный, но малоизученный метод лечения, хотя он был одобрен десятки лет назад.^{4,
5}

Лекарства нацеленные на ионные каналы

Около 20% лекарств на рынке нацелены на ионные каналы,⁶ которые регулируют поток ионов через клеточные мембраны во всех типах тканей, обеспечивая нормальную работу организма. Такие препараты взаимодействуют с определенными типами ионных каналов, блокируя или усиливая их функцию. Избирательно влияя на ионный поток, можно лечить сердечную аритмию, эпилепсию, болевые расстройства, гипертонию и другие состояния, связанные с аномальной активностью ионных каналов.⁷

Например, антиаритмические препараты включают блокаторы натриевых, калиевых и кальциевых каналов и используются для регулирования аномальных электрических импульсов в сердце, восстановления нормального ритма и предотвращения опасных для жизни аритмий (рис. 5). Действие противоэпилептических препаратов на прохождение ионов через клеточную мембрану нейронов снижает их возбудимость, подавляя судороги.

Рис. 5. Механизм работы некоторых антиаритмических препаратов.⁸

Стоит отметить, что, хотя ионные каналы являются важными мишенями для лекарств, которые иногда имеют побочные эффекты, поскольку могут воздействовать на многие системы органов и нарушать их нормальную физиологическую функцию. Таким образом действуют нейротоксины – природные яды, нацеленные на ионные каналы. Поэтому обязателен тщательный мониторинг, коррекция дозы и учёт индивидуальных особенностей пациента.⁷

Биоэлектричество в онкологии

Использование биоэлектричества в лечении рака является областью активных исследований и имеет потенциал для инновационных терапевтических подходов. Стратегии, основанные на биоэлектричестве, направлены на обнаружение раковых клеток и модулирование их электрических свойств, чтобы нарушить их рост и способствовать их гибели.
Эффективность методов лечения рака зависит от ранней детекции заболевания. В этом может помочь отличное от обычных клеток биоэлектрическое состояние раковых клеток – они деполяризованы по сравнению со здоровыми клетками, то есть их напряжение стремится к нулю. Изменение электрического сигнала в здоровых клетках может помочь вовремя обнаружить отклонения и начать терапию.^{9,
10,
12}

Это также может быть важно при операциях по удалению раковой опухоли. После операции край вырезанной ткани исследуется, чтобы убедиться, что он полностью свободен от раковых клеток. Проблема в том, что результаты могут занять несколько дней, и в худшем случае пациенту потребуется дополнительная операция. Тестирование устройства, использующего диэлектрические свойства раковых клеток для их детекции, показало, что такой метод позволит снизить потребность в повторных операциях, поскольку его можно использовать, не отходя от операционного стола.¹¹

Биоэлектричество, а значит и ионные каналы, играет важную роль в прогрессировании рака. Появляются новые исследования, показывающие, как препараты, нацеленные на ионные каналы, могут стать новым видом терапии.¹³ Например, люди, которые принимают препараты, блокирующие натриевые каналы, и препараты от эпилепсии, имеют меньший риск заболеть некоторыми видами рака.^{14,
15} Также у раковых клеток обнаружены особые типы ионных каналов, которые могут стать потенциальными биомаркерами или мишенями для направленных лекарств. Например, калиевые каналы hERG сейчас вызывают большой интерес у фармацевтических компаний, поскольку они избыточно экспрессируются во многих видах раковых клеток.¹⁶

Можно сказать, что напряжение мембраны клетки определяет её идентичность –деполяризованный мембранный потенциал (ближе к нулю) присущ стволовым клеткам и раковым клеткам, тогда как гиперполяризованный мембранный потенциал (более отрицательный) присущ дифференцированным, или специализированным, клеткам. Было показано, что манипуляции с этим напряжением могут перепрограммировать клетки – например, индуцированная реполяризация макрофагов меняет их тип, а деполяризованные здоровые клетки начинают вести себя подобно клеткам злокачественной опухоли. Потенциально таким образом можно предотвратить превращение здоровой клетки в раковую или даже повернуть этот процесс вспять.^{17,
18,
19}

Биоэлектрические поля исследуются как потенциальный инструмент для подавления роста опухоли и метастазирования. Они могут нарушать деление и миграцию раковых клеток, влияя на клеточные сигнальные пути. Электрические поля продемонстрировали клиническую эффективность при определённых типах опухолей головного мозга, таких как глиобластома. В настоящее время изучается их эффективность и при других типах рака. Кроме того, биоэлектрические подходы потенциально можно сочетать со стратегиями иммунотерапии для усиления иммунного ответа организма против раковых клеток. ^{20,
21,
22}

Регенерация

Регенеративная медицина – это общий термин, который был изобретён около 30 лет назад, чтобы охватить широкий спектр методов, использующих электрические сигналы организма и манипулирующих биоэлектрическими полями для восстановления и регенерации тканей.²³

Биоэлектричество играет важную роль в различных биологических процессах, включая эмбриональное развитие, заживление ран и регенерацию тканей. Оно также влияет на поведение клеток, миграцию, пролиферацию и дифференцировку. Понимая и манипулируя биоэлектрическими сигналами, можно быстрее заживлять раны, а потенциально даже восстанавливать целые ткани и органы.

Одним из направлений в регенеративной медицине является ускоренное заживление тканей. Неповреждённый эпителий генерирует напряжение – при его повреждении нарушаются пути ионных токов и возникают естественные, эндогенные электрические поля и токи. Они необходимы для нормального заживления, поскольку направляют клетки к центру раны.^{24, 25} Подобно заживлению ран, электрические токи участвуют в полной регенерации органов и конечностей. Изучение регенерации в наше время показало, насколько широко это явление распространено в животном мире. Удивительно, но кроме гидр, планарий и саламандр способность регенерировать есть даже у млекопитающих: есть данные (по понятным причинам ограниченные) что дети могут полностью восстановить потерянный кусочек пальца. Такая же способность есть у мышей.²⁶

Возможно ли искусственно контролировать биоэлектрические процессы в целях регенерации? Потенциально – да! Влияние биоэлектрических сигналов на морфогенез было продемонстрировано на планариях: исследователи смогли получить двухголовую планарию, а также планарию с необычными регенеративными свойствами. Другая группа учёных показала, что искусственно индуцированные изменения трансмембранного потенциала формируют глаза на теле головастика.^{27, 28}

С людьми, конечно же, сложнее, но есть возможное решение — стволовые клетки, которые теоретически можно стимулировать для превращения в любые нужные клетки, ткани и органы. Клинические испытания на стволовых клетках проводятся на протяжении многих лет, однако дают неоднозначные результаты.²⁹ Электрическая стимуляция может повысить эффективность терапии стволовыми клетками, способствуя их миграции в нужную область, правильной дифференцировке и пролиферации.^{30, 31} Например, в недавнем исследовании учёным удалось успешно направлять стволовые клетки в мозге, что раньше считалось невозможным.³²

Ещё одно важное потенциальное применение биоэлектричества – спинномозговые травмы, которые с большой вероятностью оставляют человека недвижимым на всю оставшуюся жизнь. Исследования электротаксиса спинномозговых нейронов лягушек показали, что они быстрее тянутся к положительному электроду.³³ Хотя эти данные неоднозначны,³⁴ восстановление целостности спинного мозга предположительно можно побудить электрическими полями, направляя нейроны в место повреждения. Подтверждения этому есть: ещё в 1987 году было показано, что у морских свинок со спинномозговой травмой после приложения электрических полей восстановились двигательные и сенсорные функции.³⁵ Позже были проведены подобные терапии для собак, а в 2022 году этот метод показал положительные результаты на крысах.^{36, 37}

Клинические испытания на людях с тяжёлыми травмами спинного мозга также показали, что терапия электрическими полями как минимум безопасна, и может давать улучшения чувствительности и моторики.³⁸ Сегодня для лечения травм спинного мозга вместо электрических полей пытаются применять интенсивные электрические импульсы, чтобы заставить нейроны спинного мозга, которые управляют двигательной функцией, нести потенциалы действия в место назначения – результаты многообещающие.³⁹

Клиническое применение биоэлектричества обладает огромным потенциалом для здравоохранения. От регенеративной медицины до лечения рака, биоэлектричество предлагает новые возможности и инновационные методы терапии. Хотя предстоит ещё долгий путь, по мере проведения новых исследований и развития технологий возможности лечения на основе биоэлектричества продолжат расширяться, открывая новую эру персонализированных и эффективных методов лечения во всём мире.