能让肢体再生的电流

赵敏

影响一生的旅行

一只尾巴上长眼睛的蝌蚪，拥有两个头的蠕虫，还有六条腿的青蛙，当这些动物一起出现时，你一定以为自己闯入了怪奇动物世界中。然而这些生物不是科幻作品中虚构的怪兽，而是美国塔夫茨大学的生物学家迈克尔·莱文在自己的实验室中创造的。

现在就让我们一起来了解一下莱文为什么要创造这些奇怪的动物吧！

莱文动机的源头要从1986年夏天的一场世博会说起，当时十几岁的莱文跟随父亲参加了介绍机器人和磁悬浮列车的温哥华世博会，然而这场世博会的内容并没有引起莱文太大的兴趣，真正改变他一生的是他在旅途中发现的一本不起眼的二手书，这本书是罗伯特·贝克尔和加里·塞尔登合著的《身体电：电磁与生命的基础》。贝克尔是美国退伍军人管理局的一名整形外科医生，他非常关注我们的身体和体内微电流、电位变化的相互影响。

在这本书中，贝克尔提及了他做过的一个实验，由于火蜥蜴具有肢体再生的能力，而青蛙却没有这种能力，所以他把这两种动物作为实验对象。他将青蛙和火蜥蜴的肢体砍掉，并在伤口部位安装了电压表。两种动物伤口处的电压变化开始是一样的，但当火蜥蜴开始再生自己断掉的四肢时，火蜥蜴伤口处的电压却突然下降了很多，而青蛙却没有变化。贝克尔想知道，如果改变青蛙体内的电压，它是否也会重新长出被砍掉的肢体？虽然他认为结果是确定的，但限于当时的条件，贝克尔没有办法做更精确的实验。

这个问题在十几岁的莱文心里埋下了一颗种子。十几年后，这颗种子使莱文在生物电研究方面做出了重大的贡献。

追寻生物电

成年后的莱文一直试图解决一个困扰了科学界几个世纪的谜题：胚胎细胞在分化时是如何知道我们的心脏、肝脏和胆囊应该长在身体的哪一侧？

在历史上，许多人在出生时就有一些甚至全部的器官错位，如心脏靠右生长，但这些器官仍能正常工作。到底是哪里出了问题，才让这些器官生长的位置出现了变化。虽然遗传学界一直声称基因表达决定了器官生长的位置，但莱文认为生物体内的微电流一定影响了基因表达的位置。例如，电压的变化告诉了蜥蜴尾部的细胞：现在你们需要在这里长出一个尾巴。

直到2000年，莱文的想法终于得到了印证。在莱文当时的实验室里，有一个仪器可以根据细胞电位的不同，讓它们发出红、绿、黄、蓝不同颜色的荧光。莱文将这个仪器使用到小鸡胚胎上，小鸡胚胎上红色和橙色荧光的分布代表了两侧电压的不同。电位的不同就像路标一样，指明了身体的方向，不同的电位告诉胚胎干细胞发育生长的方向。

这一发现的影响是巨大的，因为如果我们能够找到影响基因表达合适的电压，那么我们就可以决定身体的器官在何时、哪个位置长出来。如果一个年轻的士兵在战场上失去了手臂，我们也许可以通过这种方法，让断掉的肢体重新生长出来。这一发现改变了传统的遗传学观念，并且拥有着巨大的医学潜力，但是作为一个新的研究方向，我们对它的了解是远远不够的。因此，莱文做了许多的实验，那些双头的蠕虫和多腿的青蛙等等都是这些实验的产物。

改变生物电

每个细胞的表面都有被称为离子通道的中空蛋白质，离子通过这些通路进入或退出细胞。当离子从薄膜的一边穿梭到另一边时，就会产生电流。如果没有这种流动，我们的心脏就不会跳动;如果没有这种流动，我们的神经就不会把信号从大脑传递到肢体。这种跨膜电位使我们得以生存。

为了证明电在基因表达中起了关键的作用，我们需要改变这些离子在细胞内外的移动。为此，莱文使用了一些仪器，可以阻断或增加离子通道。通过这种方式，莱文让蝌蚪在肠子上长出了眼睛。当你观察胚胎的时候，你会发现有一种特定的生物电模式确定了眼睛应该生长的位置，如果我们将同样的生物电模式建立在其他的位置，那么该位置同样也会长出眼睛。

我们可以用改变离子通道的药物来处理断掉手臂的伤口处，伤口处电压的变化也许可以诱导细胞重新开始分化，长出新的手臂。莱文接下来的任务就是要找到能够使手臂重新生长的生物电模式，但是这并不容易。

未来的困难与潜力

虽然神经电现象的研究在蓬勃发展，但是再生肢体和伤口愈合领域的电场研究现在还被认为是边缘学科，研究上的困难导致了这个学科发展缓慢。

首先，在生物组织中发现生物电并不容易，它们必须在活体细胞中才能被精确定位，而不是细胞残片或保存下来的样本中。如果想要通过冷冻细胞或提取蛋白质、RNA来检测电信号，这些信号反而会消失。其次是找到合适的动物模型。许多实验室在使用的都是一种具有超强再生能力的蠕虫，但是这种蠕虫的超强再生能力使人搞不清楚是否是因为调整了生物电才增强了动物的再生。因此，莱文的实验室已经转向其他的动物模型系统，比如爪蛙、小鸡胚胎和人类的干细胞。

当然，温血动物的血压比爬行动物高得多，如果伤口没有被结痂覆盖，出血的风险是巨大的。第二，温血动物的四肢往往长得更慢，使感染的风险增加，人体感染炎症就会抑制细胞的增长。此外，如果想要改变伤口处的电压，伤口就必须保持湿润，以便那些改变离子通道的药物能够影响伤口处的细胞。因为空气会造成伤口处干燥和引发感染问题，伤口也必须要隔绝空气。

虽然这一领域的研究困难重重，但是莱文的研究还是得到了美国国立卫生研究院的大力支持，因为这改变了人们对于生物学的整体看法，可能开创生物学的新领域，甚至可能会带来新的医学治疗方法。

莱文的研究可能会为癌症治疗提供一种新的出路。2016年3月，他和他的同事们利用光来操纵生物电位，成功地让青蛙体内的癌细胞变回正常细胞，并因此登上了全球新闻头条。莱文说，许多癌症肿瘤具有异常的生物电位。他相信，正是这种不稳定的电位导致了它们的生长和扩散。也许有一天我们可以通过诱导异常细胞变回正常组织的方法代替化疗。

生物电信号技术还可以逆转胚胎出生缺陷，比如青蛙的前脑畸形，这种缺陷与父母酗酒导致的人类胚胎缺陷相似。

医生们已经开始使用离子通道药物来治疗某些心脏病和神经系统疾病了。在未来，这些药物或许可以被用来治疗癌症和矫正出生缺陷。莱文保守地估计，在未来的25年，这一想法可以实现。