Медиатека

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.


Литература

1. Selcan Kaplan Berkaya et al. A survey on ECG analysis. Biomedical Signal Processing and Control, 2018.

2. Abhang P.A., Gawali B.W., Mehrotra S.C. Chapter 2 - Technological Basics of EEG Recording and Operation of Apparatus. Academic Press, 2016.

3. Mulpuru S.K. et al. Cardiac Pacemakers: Function, Troubleshooting, and Management. Journal of the American College of Cardiology, 2017.

4. Krauss J.K. et al. Technology of deep brain stimulation: current status and future directions. Nature Reviews Neurology, 2021.

5. Cyron D. Mental Side Effects of Deep Brain Stimulation (DBS) for Movement Disorders: The Futility of Denial. Frontiers in Integrative Neuroscience, 2016.

6. Santos R. et al. A comprehensive map of molecular drug targets. Nature Reviews Drug Discovery, 2017.

7. Osmosis Antiarrhythmics.

8. Bagal S.K. et al. Ion channels as therapeutic targets: a drug discovery perspective. Journal of Medicinal Chemistry, 2013.

9. Sheth M., Esfandiari L. Bioelectric dysregulation in cancer initiation, promotion, and progression. Frontiers in Oncology, 2022.

10. Chernet B., Levin M. Endogenous voltage potentials and the microenvironment: bioelectric signals that reveal, induce and normalize cancer. Journal of Clinical & Experimental Oncology, 2013.

11. Dixon J.M. et al. Intra-operative assessment of excised breast tumour margins using ClearEdge imaging device. European Journal of Surgical Oncology, 2016.

12. Hussein M. et al. Breast cancer cells exhibits specific dielectric signature in vitro using the open-ended coaxial probe technique from 200 MHz to 13.6 GHz. Scientific Reports, 2019.

13. Arcangeli A., Becchetti A. New trends in cancer therapy: targeting ion channels and transporters. Pharmaceuticals, 2010.

14. Reddy J.P. et al. Antiepileptic drug use improves overall survival in breast cancer patients with brain metastases in the setting of whole brain radiotherapy. Radiotherapy and Oncology, 2015.

15. Takada M. et al. Inverse association between sodium channel-blocking antiepileptic drug use and cancer: data mining of spontaneous reporting and claims databases. International Journal of Medical Sciences, 2016.

16. Lastraioli E. et al. hERG1 potassium channels: novel biomarkers in human solid cancers. BioMed Research International, 2015.

17. Parayath N.N., Parikh A., Amiji M.M. Repolarization of Tumor-Associated Macrophages in a Genetically Engineered Nonsmall Cell Lung Cancer Model by Intraperitoneal Administration of Hyaluronic Acid-Based Nanoparticles Encapsulating MicroRNA-125b. Nano Letters, 2018.

18. Silver B.B., Nelson C.M. The Bioelectric Code: Reprogramming Cancer and Aging From the Interface of Mechanical and Chemical Microenvironments. Frontiers in Cell and Developmental Biology, 2018.

19. Lobikin M. et al. Resting potential, oncogene-induced tumorigenesis, and metastasis: the bioelectric basis of cancer in vivo. Physical Biology, 2012.

20. Mehta M. et al. Critical review of the addition of tumor treating fields (TTFields) to the existing standard of care for newly diagnosed glioblastoma patients. Critical Reviews in Oncology/Hematology, 2017.

21. Kirson E. D. et al. Chemotherapeutic treatment efficacy and sensitivity are increased by adjuvant alternating electric fields (TTFields). BMC Medical Physics, 2009.

22. Zhao J. et al. Antitumor effect and immune response of nanosecond pulsed electric fields in pancreatic cancer. Frontiers in Oncology, 2021.

23. Sampogna G., et al. Regenerative medicine: Historical roots and potential strategies in modern medicine. Journal of Microscopy and Ultrastructure, 2015.

24. Tyler S.E.B. Nature's Electric Potential: A Systematic Review of the Role of Bioelectricity in Wound Healing and Regenerative Processes in Animals, Humans, and Plants. Frontiers in Physiology, 2017.

25. Zhao M., et al. Bioelectric signaling: role of bioelectricity in directional cell migration in wound healing. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 2022.

26. Yong E. Why Fingertips Might Grow Back But Entire Limbs Won’t. National Geographic, 2013.

27. Durant F. et al. Long-term, stochastic editing of regenerative anatomy via targeting endogenous bioelectric gradients. Biophysical Journal, 2017.

28. Pai V.P. et al. Transmembrane voltage potential controls embryonic eye patterning in Xenopus laevis. Development, 2012.

29. Rasko J. Flesh Made New: The Unnatural History and Broken Promise of Stem Cells. ABC Books, 2021.

30. Heng W. et al. Effects of electrical stimulation on stem cells. Current Stem Cell Research & Therapy, 2020.

31. Cheng H. et al. Electrical stimulation promotes stem cell neural differentiation in tissue engineering. Stem Cells International, 2021.

32. Feng J.F. et al. Electrical guidance of human stem cells in the rat brain. Stem Cell Reports, 2017.

33. Jaffe L.F., Poo M.M. Neurites grow faster towards the cathode than the anode in a steady field. Journal of Experimental Zoology, 1979.

34. Robinson K.R., Cormie P. Electric field effects on human spinal injury: Is there a basis in the in vitro studies? Developmental Neurobiology, 2008.

35. Borgens R.B., et al. Behavioral recovery induced by applied electric fields after spinal cord hemisection in guinea pig. Science, 1987.

36. Borgens R.B. et al. Effects of applied electric fields on clinical cases of complete paraplegia in dogs. Restorative Neurology and Neuroscience, 1993.

37. Bacova M. et al. Epidural oscillating field stimulation increases axonal regenerative capacity and myelination after spinal cord trauma. Neural Regeneration Research, 2022.

38. Shapiro S. A review of oscillating field stimulation to treat human spinal cord injury. World Neurosurgery, 2014.

39. Willyard C. How a Revolutionary Technique Got People with Spinal-Cord Injuries Back on Their Feet. Nature, 2019.