Мы – электрические. Новая наука об электроме тела

Исследователи подсоединили стволовые клетки к устройству Роланди, которое создавало вокруг клеток протонный ток для повышения их мембранного потенциала. Если клетки пытались использовать какие-то из своих каналов, чтобы вернуться назад к более привычному для них потенциалу, написанный Гомес искусственный интеллект замечал это и вводил дополнительное количество протонов. Он поддерживал мембранный потенциал живых стволовых клеток на уровне на 10 милливольт выше, чем в обычном деполяризованном состоянии. В 2020 году ученые опубликовали результаты, полученные с помощью замечательного нового инструмента Гомес, позволявшего поддерживать искусственный мембранный потенциал на протяжении десяти часов. Никто прежде такого не делал.

Однако пока они пытались продлить время поддержания повышенного потенциала, чтобы следить за дифференцировкой стволовых клеток, у фонда закончились деньги.

Впрочем, к тому моменту они уже передали Шихану все необходимые доказательства, чтобы он смог начать работу над гораздо более крупным проектом. В начале 2020 года агентство DARPA запустило программу BETR (“Биоэлектроника для тканевой регенерации”), на которую было отпущено 16 миллионов долларов (совсем неплохо даже по меркам DARPA) для разработки способов быстрого заживления ран[438]. С помощью традиционных электронных устройств (или каких-либо других методов) этого добиться не удавалось. Хотя иногда применение электрической стимуляции для ускоренного заживления ран давало неплохие результаты, никто не мог предоставить специфического “рецепта”, при соблюдении которого можно добиваться стабильных результатов для каждого пациента. Шихан проанализировал достаточно работ, чтобы понять, что выход из тупика, возможно, заключается в общении с телом на его собственном языке. “Я хотел использовать биоэлектричество, опосредованное ионами, а не просто потенциал, – рассказывал он мне. – Как раз сейчас остро стоит проблема перехода от электрических сигналов к биохимическим и наоборот. Именно это и пытается сделать данная программа”. Шихан намерен улучшить все аспекты заживления ран – от получения более чувствительных сенсоров и переключателей до создания более качественных моделей процесса заживления.

Мы еще очень многого не знаем о ранах, и именно поэтому никто пока не смог добиться их более эффективного и быстрого заживления. Одна из трудностей заключается в том, что все раны разные. Шихан показал мне список. “Края раны отличаются от центра. Порезы на стопе и на лице заживают с разной скоростью. У молодых людей раны затягиваются быстрее, чем у пожилых”.

Исследователи из группы Роланди используют биоэлектронику для анализа разных аспектов заживления ран. Они ищут специфический подход, а не просто применяют электрическое поле в надежде на улучшение. С помощью сенсоров исследователи регистрируют различные параметры (например, стадию воспаления). Далее алгоритмы Гомес превращают информацию от сенсоров в четкие инструкции – например, подать ионы или создать электрическое поле вокруг раны, чтобы быстрее успокоить макрофаги и ускорить процесс заживления. Все это было бы невозможно без целого ряда различных инструментов. “В противном случае вы просто видите все это и используете свой сложнейший алгоритм, но все, что вы можете сделать с этой информацией, это просто запустить электрон, – комментирует Роланди. – Но так это не работает”.

Проект со стволовыми клетками стал для Шихана ступенькой к проекту BETR, а BETR проложил дорогу к чему-то еще более значительному. “Заживление ран – отличная исходная задача, – рассказывал он. – Но, если вы оглядитесь вокруг, вы увидите, что в медицине часто бывают ситуации, в которых нужно контролировать доставку лекарственного препарата”. Один из известных примеров – специфическая доставка лекарства к опухолевым тканям, но многофункциональное устройство могло бы выбирать не только место доставки, но и время. Любой онколог скажет вам, что хотел бы иметь возможность вводить лекарства пациентам по ночам, когда они спят, поскольку именно в это время происходит восстановление организма. Более того, в период покоя клетки некоторых здоровых тканей, которые оказываются наиболее чувствительными к действию лекарств, не делятся, и поэтому введение токсичных препаратов именно в это время позволяло бы ослабить негативные побочные эффекты. Однако вводить такие лекарства среди ночи невозможно. Врачам, сестрам и администрации тоже надо спать.

Поэтому следующая задача Шихана такова: “Что нам действительно нужно, так это универсальный биоинтерфейс, который позволял бы доставлять в тело биологическую информацию, – рассказывал он мне. – Цитокины, гормоны, хемокины. Использование устройства, которое могло бы доставлять такие соединения, было бы сравнимо с круглосуточным присутствием врача”. А в случае ранений играло бы роль круглосуточного хирурга. Как выяснилось, как раз в этом и заключается одна из сильных сторон “ксеноботов”.

Роботы-лягушки и грибные компьютеры