MustafaDjamgoz对生物电的兴趣始于他自己的生物体中电流流动的第一手经验。作为在塞浦路斯岛长大的青少年，贾戈兹和一位朋友正在建造无线电发射器时，他第一次受到电击。

“我绝对着迷，”他说。“我的身体里到底发生了什么?”

Djamgoz继续在回答这个问题的基础上建立自己的职业生涯，首先获得了生物物理学博士学位，后来成为神经生物学教授，研究细胞通过离子泵和通道产生生物电势的方式，利用生物电进行通信。

不仅仅是神经元。现在人们认识到生物电特性在所有细胞中都很重要，并且这些特性可以响应疾病的存在而改变，或者可以改变以治疗疾病的存在。

穆斯塔法·贾戈兹博士

如今，贾姆戈兹是伦敦帝国理工学院癌症生物学名誉教授，研究恶性肿瘤的生物电特性。他还是相对较新的MaryAnneLiebert期刊《生物电》的编辑，该期刊于2018年推出，旨在为同名、不断发展的多学科领域提供焦点。该杂志最近几期包含从癌症到组织工程再到细胞衰老等各个领域的论文。

“生物电具有巨大的潜力，”Djamgoz表示。“很多人，尤其是医学方面的人，不太明白为什么生物电具有如此重要的医学意义。我们真的很想把它放在地图上。”

癌症的神经科学

许多肿瘤学研究侧重于癌症的遗传标记以及驱动癌症形成和转移的基因表达的变化。尽管遗传学仍然是癌症故事的重要组成部分，但Djmagoz的研究表明，这并不是故事的全部。肿瘤的生物电特性可能与遗传学一样重要。

早在20世纪90年代中期，Djamgoz首次提出了他后来称之为细胞兴奋性或“CELEX”的癌症转移假说。他在许多类型的上皮癌细胞中发现了不属于的电压门控钠离子通道，这导致癌细胞产生动作电位，就好像它们是神经元或心肌细胞一样。

“这些通常是肠道或皮肤中的惰性组织，”贾戈兹指出。“它们变得过度活跃、易兴奋、具有侵入性、反社会性，正是这种电兴奋性驱使癌细胞进入侵入模式。”

癌细胞的电兴奋性多年来一直没有引起人们的注意，因为传统的测量方法、膜片钳或微电极记录缺乏捕获信号的灵敏度。

Djamgoz继续说道：“我们不想用微电极戳细胞，而是将细胞放在培养皿中，底部有这些金微电极阵列。”“它们现在坐在这些电极上，发出动作电位的嗡嗡声!”

癌细胞不仅意外地成为生物电的发生器，而且还与神经系统进行交流，似乎以神经系统为食。Djamgoz在2020年6月发表在《生物化学与生物物理学学报—癌症评论》上的一篇论文中表明，交感神经系统刺激似乎推动了癌症增殖的早期阶段，而副交感神经输入则推动了侵袭和转移。

在《生物电》杂志上的一篇论文中，Djamgoz回顾了一些可能影响肿瘤生物电特性和神经支配以减轻癌症增殖和转移的技术。这包括已用于治疗胶质母细胞瘤的电磁“肿瘤治疗场”、纳米颗粒和刺激迷走神经的植入线圈，以及将β受体阻滞剂和钠通道阻滞剂等旧药物重新用作抗癌药物。

Djamgoz已经创办了自己的公司CELEXOncology来追求其中一些潜在的治疗方法，并相信临床应用——即使它们一开始是使现有疗法变得更好、毒性更低——也并不遥远。

“我们可能正在谈论未来五年，”他说，“类似的事情。”

生物工程与生物电

加州大学戴维斯分校生物工程教授肯特·利奇博士表示，生物工程师倾向于关注细胞和生物材料的生物力学和化学特性。例如，从2000年到2019年，研究机械和化学线索的生物工程出版物数量是研究生物电线索的10倍。

不过，虽然刚度、粘弹性和材料降解等特性对于生物工程材料很重要，但“在更具生物相容性的材料中获得电刺激的好处的能力非常有趣，也是一个相对较新的领域，”利奇说。

在《生物电》杂志上的一篇论文中，Leach和他的同事回顾了生物电信号作为组织工程蓝图的使用，探索了如何使用内源性电信号和导电基质材料来指导细胞分化并促进生物工程组织功能，以及该领域必须如何利用这一新维度的进展。

神经细胞和心肌细胞是应该考虑的具有生物电特性的细胞的明显例子，Leach和他的同事指出，如果在导电支架上生长，这些细胞类型会表现出更好的生长和分化。但许多其他细胞类型也受到生物材料或电场的电导率的影响。

“我们渴望开发导电、生物相容性材料，以测试它们在骨再生、肌肉再生甚至皮肤修复模型中的功效，”利奇说。“大多数证据表明，即使没有外部电刺激，细胞也会对这些材料做出反应，这表明有一个令人兴奋的机会将这些材料用于我们尚未考虑的许多应用。”

该论文回顾了许多已在不同组织系统中用于生物工程的生物相容性材料，例如聚吡咯(PPY)，“生物医学应用中研究最多的导电聚合物”。但利奇说，导电生物材料的选择仍然很困难，因为所使用的材料在降解时不得伤害邻近的细胞，而且研究人员还无法很好地控制生物相容性更好的材料的导电性。

“我们缺乏对基本原理的理解，因为我们通常会避免对水合组织进行电刺激，”他继续说道。“毕竟，将烤面包机扔进浴缸的最佳方法是什么?”

骨折和生物电场

Swee-HinTeo博士和他在新加坡南洋理工大学的团队不是研究许多材料和组织的生物电特性，而是专注于了解电磁场在愈合骨组织中的作用。

“骨头是一种压电材料，”Teoh说，它会响应机械负载而产生生物电势。“在我们的工作中，我们最初假设我们也必须将骨骼视为电导体。”

骨骼的导电特性表明在创伤情况下进行生物电干预的可能性，在生物电学上题为“脉冲电磁场​​强度对间充质干细胞的影响”的论文中，Teoh和他的同事描述了生物电干预的潜力和参数。使用脉冲电磁场​​来改善骨再生技术。

目前治疗骨损伤(例如老年人常见的髋部骨折)的金标准是侵入性自体骨移植。脉冲电磁场​​(PEMF)是一种替代治疗模式，已被证明可以促进骨骼生长，但对于最佳PEMF参数几乎没有达成共识。

为了开始限制这些参数，Teoh和他的同事测量了不同的PEMF强度对取自兔骨髓的间充质干细胞的增殖、分化和矿化的影响。将培养的干细胞暴露在强度从0.2到0.9mT的50Hz脉冲磁场中，每天30分钟，持续21天，他们发现0.6mT的场强最能成功地促进细胞增殖，“显示出增强骨骼愈合的巨大潜力”。骨折后的前两周。”

Teoh博士表示，21天的时间限制也是一个重要发现，因为“以前我们认为没有疗效窗口”。

Teoh说，不同的PEMF参数可能会影响骨愈合的其他阶段，例如细胞分化和矿化，但这需要进一步的研究。

“我们还在利用鸡胚胎模型研究脉冲电磁场​​对胚胎发育和骨形成的影响，”他说。“看看脉冲电磁场​​如何不仅影响骨骼愈合，而且影响骨骼本身的早期形成，这将是一件很有趣的事情。”

衰老的生物电特性

TailiseCarolinadeSouza-Guerreiro博士表示，直到最近，许多生物电实验还分散在不同的研究领域。“直到最近，生物电研究人员才聚集在一起并开始建立一个领域，”她说。

正是在这个新的跨学科框架内，科学家们正在探索电生理学如何调节无数的细胞过程，其中包括deSouza-Guerreio作为华威大学博士后研究员的工作重点：线粒体功能和衰老。

在与同事、华威大学生物学副教授MunehiroAsally博士共同撰写的一篇《生物电》论文中，deSouza-Guerreio回顾了从酵母线粒体电生理学研究中获得的关于衰老的见解。他们写道：“许多脊椎动物寿命的调节因子，例如热量限制，从酵母到人类都是保守的。”

众所周知，随着酵母、人类和其他哺乳动物的衰老，它们产生ATP的线粒体在膜上会显着去极化，导致ATP产量下降。但有趣的是，德苏扎-格雷奥指出，某些长寿动物(例如裸鼹鼠)的线粒体在其一生中都保持着温和的去极化状态。同时，已知可延长模型生物寿命的干预措施(例如热量限制)也会导致酵母中线粒体轻度去极化。

“这个新框架正在改变研究人员对衰老和线粒体的看法，”德苏扎-格雷奥说，并引发了新的问题。“有益的线粒体去极化和有害的能量消耗效应之间的阈值是多少?”

deSouza-Guerreiro表示，未来关于化合物和长寿的研究应该筛选候选化合物对线粒体电生理学以及其他衰老标志物的影响，作为真正跨学科方法的一部分。

“我认为需要进行多学科研究来了解线粒体电生理学的生物学、生物物理和化学方面，”她说，“以指导我们并为未来针对线粒体的抗衰老药物干预措施铺平道路。”

新兴生物电癌症药物

诺丁汉大学药学院研究员FrankieRawson博士同意deSouza-Guerreiro关于生物电多学科研究重要性的观点，并认为大型团队的建设是该领域的决定性挑战之一。

“我们知道电在生物学中很重要。我们如何感知它并操纵它来治疗疾病?”他说。“你需要多学科的洞察力和工具才能真正做到这一点。”

罗森自己的跨学科工作始于动物的临床前药物毒理学，后来转向开发纳米电极传感器来测试非动物模型中的毒性，并从那里开始将该传感器技术应用于测量癌症中的离子电流和法拉第电流，一门相对较新的学科。“我们感知[生物电]的工具很差，”他说。“我们确实没有很好的工具来测量，例如，亚细胞电效应。”

在《先进治疗学》上发表的一篇题​​为“劫持癌症中的生物电以开发新的生物电医学”的论文中，罗森和他的同事研究了肿瘤的电特性，并认为为了使该领域向前发展，研究人员需要采取更全面的观点癌症生物电。

他说：“我们需要停止关注单一离子电流”，并从更多的系统生物学角度来看待生物电。“你可能需要从全球、细胞的角度来理解它，并干扰多个继电器。”

这一观点与Djamgoz的观点并没有完全不同，但Rawson认为，在应用方面，生物电医学不能依赖于手术植入线圈等技术来刺激神经。如果它要成为主流，“就必须通过无线方式完成，”他说。“我们可以考虑构建技术来更仔细地针对特定的生物电继电器，从而提高我们阻止癌细胞增殖或杀死它们的能力。”

罗森还在研究注射纳米颗粒与外部电场的结合使用。“当我们施加外部场时，我们会调节颗粒上的化学成分，从而引导细胞自杀，”他说。

与该领域的其他研究人员一样，罗森承认生物电还有很多需要了解的地方，但也看好生物电医学在临床上的前景。

“生物电医学领域的价值已经达到数十亿美元，并且预计将大幅增长，”他说。“我们现在正处于一个尚未成为主流的阶段，但它肯定已经开始朝这个方向转变。”

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标签：生物电细胞生物