Лечащие искры: загадка регенерации спинного мозга
Однажды в 2007 году Брендон Ингрэм потянулся за ходунками, вытащил себя из инвалидного кресла и, выпрямившись, стал мелкими шажками передвигаться по ковру в гостиной. Это потребовало от него больших усилий и посторонней помощи, но в конце концов он смог самостоятельно контролировать движения ног с помощью брюшных мышц[244].
Этого не могло быть. Пятью годами ранее в автомобильной аварии на шоссе Ингрэма выбросило из машины, что привело к необратимому поражению его спинного мозга. Врачи сообщили, что он никогда не сможет ходить.
Но он пошел. Строго говоря, для большинства движений он все еще нуждался в инвалидном кресле, но он вновь обрел другие способности, гораздо более важные при повреждении позвоночника: он мог менять положение тела и испытывал некоторые ощущения. “Мне очень повезло”, – сообщил Ингрэм корреспонденту издательства Boston Globe[245].
Его везение заключалось в том, что авария произошла как раз тогда, когда Университет Пердью в Индиане подбирал добровольцев с повреждением позвоночника для новых клинических испытаний. Через несколько дней после аварии нейрохирург поместил между поврежденными позвонками Ингрэма электроды, создававшие электрическое поле. Исследователи надеялись, что это поле соединит противоположные концы поврежденных двигательных и чувствительных нервов в позвоночнике: они должны были медленно поползти навстречу друг другу через поврежденный участок и обрести возможность вновь без помех передавать сигналы от мозга. Через несколько месяцев имплантат удалили. Когда через год специалисты обследовали Ингрэма и других участников испытаний, большинство из них сообщали о некоторых улучшениях.
В 2019 году, через двенадцать лет после того, как Ингрэм вновь стал делать осторожные шаги, умер ученый, который изобрел устройство, изменившее мрачный диагноз, и вместе с ним умер значительный опыт работы по стимуляции осциллирующим электрическим полем. Хотя устройство было признано безопасным и, по-видимому, открывало возможности, которых не могли дать другие устройства или лекарства, и от законодательных органов США было получено предварительное разрешение на проведение более масштабных испытаний, вскоре после интервью Ингрэма корреспонденту Globe исследования были заморожены[246]. Устройством воспользовались лишь четырнадцать человек, и поскольку на протяжении нескольких лет исследования тормозились на каждом этапе, компания, занимавшаяся разработкой метода, обанкротилась. А устройство убрали на дальнюю полку.
До сих пор некоторые люди чрезвычайно расстроены обстоятельствами этого провала. “Я думаю, это отбросило исследования в области повреждений позвоночника на десять лет назад, – комментировал Джеймс Кавуото, выпускающий авторитетное издание в области промышленных разработок Neurotech Reports. – Где бы мы были сегодня, если бы они не разогнали всех исследователей и инвесторов, которые хотели продолжать это направление исследований?” По мнению Кавуото, метод стимуляции осциллирующим полем, отодвинутый на второй план влиятельными людьми, не имеющими представления о принципах его работы, и атакованный конкурентами, движимыми не профессиональными, а скорее личными интересами, предвосхитил время и был слишком необычным, чтобы добиться успеха. Он очень сильно противоречил бытовавшим в то время представлениям о связи биологии и электричества.
Дело в том, что данный имплантат оказывал влияние не на потенциал действия: он должен был воздействовать на более общее электрическое поле, существование которого было официально признано только в 1970-е годы. Кожа, кости, глаза – буквально все органы нашего тела излучают электрические сигналы. Новые исследования и инструменты позволили пролить свет на физиологические причины возникновения этого биоэлектрического поля и объяснить принципы его функционирования и медицинский потенциал. В 2020-х годах появилось больше устройств и методов, которые позволяют им манипулировать. Однако, чтобы понять суть вопроса, нам, как обычно, нужно обратиться к истокам (очень коротко!).
Лаборатория Лайонела Джеффа
Все началось со старых исследований, показавших, что все живые существа обладают собственным электрическим полем, даже такие организмы без мозга, как гидры, водоросли или проростки овса[247]. Лайонел Джефф попытался разгадать эту тайну в 1960-е годы, когда большинство электрофизиологов хотели заниматься только нервной системой. Однако Джефф, который учился ботанике в Гарварде, а в душе был физиком, искал более общие и универсальные теории.
Подходящим материалом для начала исследований были бурые водоросли (или “морской дуб”, если вам так больше нравится). Интересный факт: в этих водорослях содержится в восемь раз больше натрия, чем в сыре чеддер, и в одиннадцать раз больше калия, чем в бананах. Может быть, когда-нибудь все мы будем ими питаться. Но биологи любят их по той причине, что они размножаются половым путем, выбрасывая сперму и яйцеклетки непосредственно в морскую воду (не благодарите). И это позволяет наблюдать за всем процессом их развития, начиная с первого дня, без необходимости лазать по закоулкам маточных труб. Водоросли растут по-разному в двух направлениях, в зависимости от расположения по отношению к солнечному свету.
Для подробного изучения электрических характеристик водорослей Джефф в Университете Пердью посадил пучок водорослей в ванну с горячей водой, ожидая перемешивания их выделений. Как только у него появились развивающиеся эмбрионы, он пересадил их рядком в узкую трубку, осветил с одной стороны, имитируя солнечный свет, и стал следить за тем, не появится ли по мере роста эмбрионов какое-то измеряемое электрическое поле. И оно появилось, да еще как. Положительный заряд вверху, отрицательный внизу. Как в батарейке. Теперь Джеффу нужны были умные ребята, которые помогли бы понять, как так вышло.
Университет Пердью был одним из ведущих центров исследования электрофизиологии в мире, так что талантов здесь хватало. Джефф решил привлечь к работе наиболее способных студентов физического факультета. Его первым уловом был Кен Робинсон, который после первого же занятия у Джеффа оставил изучение физики вакуума. Он благоговел перед Джеффом. “У него было самое точное и интуитивное представление о физике и математике среди всех людей, которых я когда-либо знал, – рассказывал мне Робинсон. – Я был очарован”.
Затем под влиянием Джеффа Ричард Нучителли отвлекся от инженерии твердых материалов. “Кто бы мог подумать, что клетки способны производить электрический ток”, – восхищался Нучителли пятьдесят лет спустя. Он бросил физику и несколько семестров ускоренно штудировал биологию, чтобы догнать остальных членов группы. Его приняли с радостью. “Он был самым талантливым техником из всех, что я видел”, – сообщил Робинсон. В 1974 году Нучителли сконструировал для Джеффа новое измерительное устройство, названное вибрирующим зондом. Оно было в сто раз чувствительнее и мощнее всего, что существовало ранее. С помощью этого устройства команда приступила к исследованию слабеньких электрических токов, распространявшихся над поверхностью оплодотворенных яйцеклеток водорослей. Эти токи намного слабее тех, что вызывают потенциал действия. Исследователи назвали их физиологическими токами. Они не только слабые, но и постоянные: в отличие от потенциалов действия, колеблющихся, как стробоскопический свет, физиологические токи исходят из организмов, как свет обычной лампочки.
По-видимому, электрическое поле определяет ориентацию водорослей, позволяя расти точно по направлению к солнечному свету. Но что оно дает другим организмам? Джефф решил создать слабое электрическое поле, тщательно имитируя природное, излучаемое яйцеклетками бурых водорослей, и воздействовать им на других живых существ.
Первый этап: нейроны спинного мозга лягушки. Этот выбор сделал биофизик группы Мумин Пу в соответствии со столетней традицией, зародившейся в экспериментах Гальвани. Пу сажал клетки в чашки Петри, помещал их в электрическое поле и ждал. Он наблюдал любопытные изменения. По мере того как нейрон отращивал нейриты (этим общим термином называют все отростки нейронов – как аксоны, так и дендриты), те быстрее продвигались в сторону положительного электрода. Казалось, они предпочитают именно эту сторону электрического поля[248].
Возвращаясь на минуту к ионам Фарадея, заметим, что не только ионы предпочитают определенную “сторону” электрического поля. Оказывается, такие предпочтения есть и у целых клеток. Исследователи из группы Джеффа не первыми наблюдали такое поведение: люди обнаружили явление электротаксиса (перемещения клеток под действием электричества) еще в 1920-е годы[249]. И это их ошеломило. Не существовало никакого правдоподобного объяснения тому, что группы клеток перемещаются по чашке Петри под действием электрического поля. Исследователи списывали это явление на некий малопонятный химический эффект и старались его игнорировать. Но теперь ученые из лаборатории Джеффа впервые заполучили необходимый инструмент и новые знания для подробного изучения этого феномена.
Эксперименты и теории, зародившиеся в лаборатории Джеффа, создали единое направление клеточной электрофизиологии, которое ранее выходило за пределы нейробиологии и представляло собой набор разрозненных данных в рамках нескольких отдельных дисциплин. Многие студенты считали лабораторию своим вторым домом. Джефф был невероятно предан науке и своим коллегам. Робинсон был вдохновлен его бесстрашными поисками истины. “Он никогда не подстраивал результаты под гипотезу, только наоборот”, – рассказывал он мне. “Если твой результат не соответствовал остальным данным, он не расстраивался, – добавлял Нучителли. – Он оставлял все и говорил, что нужно изучить это и понять, о чем это нам говорит”. Мумин Пу теперь стал одним из ведущих специалистов в области нейробиологии и работает одновременно в Университете Калифорнии в Беркли и в Китайской академии наук. Ближайший круг сотрудников Джеффа был его семьей. А потом появился Ричард Боргенс.
Техасец
Переход Ричарда Боргенса в лабораторию Джеффа затянулся на несколько лет. Когда Джефф поинтересовался, почему так вышло, Боргенс вместо ответа протянул ему пластинку с записями своей группы Briks[250].
Боргенс был родом из Техаса, и выразительнее его личности были лишь его усы. Он любил старинные автомобили, старинное огнестрельное оружие и амфибий (с ранних лет он восхищался тем, как у тритонов в аквариуме отца заново отрастают откушенные рыбами лапки). Его путь в Университет Пердью совсем не совпадал с широкой столбовой дорогой, по которой туда пришли Кен Робинсон и Мумин Пу[251]. В конце 1960-х годов он поступил в Университет Северного Техаса, откуда вскоре переметнулся на музыкальную сцену Дентона (большинство его сотоварищей по группе учились в Колледже округа Кук, который один из учителей называл “местом для тех, у кого нелады с учебой”[252]). Он пел и играл на гитаре. Мрачноватый настрой и мелодическое звучание композиций группы вполне соответствовали духу времени, привлекая фанатов, и несколько песен получили широкую известность в Америке. По выходным Боргенс предпочитал выступать со старшим братом Стиви Рэя Вона, а если того не было рядом – с Доном Хенли. “Все, кто следил за ними, однозначно считали, что они далеко пойдут”, – писал один из фанатов группы на мемориальном сайте сорок лет спустя. “Но время, армейская служба и война во Вьетнаме, а также общее безумие эпохи распорядились иначе”[253].
Боргенс недолго прослужил в армии в качестве врача и вернулся домой с изменившимися взглядами. Он ушел из группы и завершил учебу, защитил диплом по биологии, а потом отправился в Пердью. Боргенс вспоминал, как пришел в лабораторию Джеффа и увидел людей, которые делали для защиты степени то, что он сам уже умел. “Почему бы и мне не защититься, занимаясь вещами такого рода?” Боргенс единственный из всех в лаборатории не был физиком, но это никого не беспокоило.
Как и Джефф, Боргенс был слишком нетерпелив, чтобы исследовать отдельные части системы: он хотел понять, как она работает в целом. Но несмотря на то, что его подход к научной работе был менее “академическим”, чем у некоторых его коллег, он достаточно быстро завоевал их сердца. “Вы знаете, он производил впечатление деревенщины, но он действительно был очень умен”, – рассказывает Нучителли. Когда Боргенс обнаружил, что Нучителли играет на контрабасе, они очень быстро подружились: “К удовольствию ребят из лаборатории, мы вместе написали много песен”.
Но в основном они развлекались тем, что изучали возможности электрического поля. Боргенс называл себя зоологом-экспериментатором[254]. На какое-то время он отвлекся на проект по использованию электрического поля для отращивания лап у змеи. Мумин Пу уже давно вышел из группы: он сменил электротаксис на изучение гораздо более понятного и научно объяснимого механизма химического, а не электрического привлечения нейритов на чашках Петри. Но другие студенты из лаборатории Джеффа оставались верны физиологическим полям даже после ухода из Университета Пердью: Робинсон отправился в Коннектикут, Нучителли – в Калифорнию, а Боргенс получил стипендию в Йельском университете. В 1981 году Робинсон и его студентка Лора Хинкл опубликовали статью, в которой окончательно доказали, что клетки на чашке реагировали на электрическое поле, а не на какие-то загадочные химические сигналы[255]. Они установили, что можно “обратить” рост нейритов в любую сторону просто путем переориентации поля. Метод работал так хорошо и предсказуемо, что путем непрерывных изменений расположения источника тока они смогли “рисовать” замысловатые картинки. Они даже создавали из каракулей аксонов собственные инициалы в качестве развлечения[256].
По мере обнаружения новых возможностей таких манипуляций возникали новые сферы их применения: те самые электрические токи, которые исследователи измеряли с помощью вибрирующего зонда, можно было использовать для регенерации тканей. Было показано, что они выходят из окончаний ампутированных конечностей амфибий и, вероятно, являются стимулом для регенерации конечностей[257]. Боргенс продолжил исследования на чашках Петри, как и прежде в лаборатории Джеффа, а в 1981 году перешел к экспериментам с живыми позвоночными. Он начал с личинок миноги[258]. Особенностью этого морского существа является способность восстанавливать поврежденный позвоночник. Процесс обычно занимает от четырех до пяти месяцев, и в ходе заживления можно отчетливо видеть, как физиологические поля и токи исходят из поврежденных мест, как это видел Дюбуа-Реймон при изучении раневых токов.
Боргенс хотел узнать, нельзя ли усилить эти токи. Когда он помещал регенерирующие нейроны в электрическое поле, процесс заживления ускорялся в три раза. Причина ускоренного заживления спинного мозга под действием электрического поля заключалась в предотвращении дегенерации (ретракции) аксонов. Ретракция – одно из самых больших препятствий на пути заживления любых повреждений спинного мозга как у млекопитающих, так и у земноводных. При разрыве нейроны поначалу съеживаются, покидая место повреждения, а потом начинают расти вновь. Если предотвратить ретракцию, можно решить много других проблем, накапливающихся в результате повреждения спинного мозга.
Умирающие и поврежденные клетки выделяют токсичное содержимое, невольно убивая соседние здоровые клетки. Это привлекает к местам повреждения макрофаги и белые клетки крови, которые убирают фрагменты клеток и поедают чужеродные частицы. Но эти клетки не знают меры: они всегда съедают лишнего и злоупотребляют гостеприимством, что приводит к возникновению большой заполненной жидкостью кисты. Формируется рубцовая ткань, создавая дополнительное физическое препятствие для любого аксона, подумывающего о регенерации. Вдобавок ко всему этому у взрослых млекопитающих в результате повреждения выделяются ингибирующие молекулы, которые недвусмысленным образом сообщают о том, что в этом месте что-то произошло и что вход сюда воспрещен. Нет ничего удивительного, что совсем не многие позвоночные умеют восстанавливать спинной мозг.
У Боргенса родилась идея насчет того, как преодолеть это препятствие. Он подумал, что, если помочь аксонам прорасти через участок повреждения до начала всего этого хаоса, вероятность регенерации значительно повысится. Ранее Пу уже установил, что под влиянием постоянного электрического поля отростки нервов растут быстрее, причем растут они в сторону катода. И действительно, когда Боргенс включал электрическое поле, оно действовало в качестве одновременно тренера и гида. Оно заставляло аксоны не обращать внимания на нормальные ингибиторные сигналы, препятствующие срастанию с их потерянной второй половинкой. И все это происходило в сложной среде внутри живой миноги, а не на чашке Петри.
В 1982 году Боргенс вернулся в Пердью, где начал быстро применять свои знания, поднимаясь по иерархической лестнице к млекопитающим и подсоединяя электроды к поврежденному позвоночнику морских свинок. Результат эксперимента был таким же: он вновь наблюдал регенерацию аксонов через место повреждения. Но возникла проблема, с которой он не сталкивался в экспериментах с миногами. У морских свинок заживление происходило спорадически и зависело от того, находился ли катод выше или ниже места повреждения.
Спинной мозг можно сравнить со скоростной трассой с двусторонним движением. Чувствительные аксоны поднимаются в мозг, чтобы сообщать об ощущениях. Моторные аксоны спускаются от мозга, раздавая инструкции. Если поместить катод над участком повреждения, все аксоны потянутся туда, и, следовательно, место повреждения преодолеют только аксоны чувствительных нервов. А если поместить катод под участком повреждения, соединятся только аксоны моторных нейронов. Однако Боргенс помнил результаты ранних экспериментов Робинсона с лягушками, показавших, что нейроны растут в восемь раз быстрее в сторону катода, чем в сторону анода. Он рассудил, что, если воздействовать переменным, а не постоянным электрическим током, поочередно изменяя полярность таким образом, чтобы катод по пятнадцать минут находился то на одной стороне от поврежденного участка, то на другой, возможно, удастся преодолеть эту проблему. Ко всеобщему изумлению, прием сработал: делая шаг назад и два шага вперед, Боргенс смог добиться слияния частей всех поврежденных аксонов. Морские свинки вновь обретали чувствительность и способность двигаться[259]. Боргенс назвал свое изобретение спинномозговой стимуляцией осциллирующим электрическим полем.
Боргенс и Робинсон уже вернулись в Пердью и были готовы продолжать работу, начатую их наставником Лайонелом Джеффом, который к тому времени уже покинул университет и руководил только что созданным Национальным центром вибрирующих зондов при Морской биологической лаборатории в Вудс-Хоул (чтобы больше времени уделять своим бурым водорослям). Однако они расходились во мнениях относительно того, как двигаться дальше. Боргенс намеревался заниматься медицинскими аспектами. Возможности применения метода были очевидны. У человека спинной мозг не восстанавливается самопроизвольно. Но если нейроны спинного мозга морской свинки могли срастаться и регенерировать под действием электрического поля, резонно предположить, что эта техника поможет устранять аналогичные калечащие повреждения у человека.
Время для такой работы было самое подходящее. После длительного периода застоя в исследованиях повреждений спинного мозга начала подниматься волна оптимизма, чему способствовал рост числа соответствующих травм у знаменитостей. Марк Буониконти, сын полузащитника футбольной[260] команды Miami Dolphins и обладателя двух суперкубков, получил чудовищную травму во время университетского футбольного матча. В 1985 году его отец участвовал в организации проекта “Майами” по лечению парализованных больных[261]. Это был один из нескольких важных проектов в исследованиях повреждений спинного мозга, предпринятых в Америке и Канаде, получивших значительное финансирование и привлекших внимание прессы. Как вспоминала Дебра Бонерт, выполнявшая административную работу в лаборатории с 1986 по 2018 год, одна из этих организаций пригласила Боргенса на благотворительный ужин. “Он вернулся оттуда и сказал, что справится, что он обязательно придумает, как стимулировать восстановление спинного мозга, и именно этим мы занимались вплоть до окончания его карьеры”. По-видимому, воодушевление Боргенса привлекало филантропов, которых он встречал на таких вечерах, поскольку в 1987 году один канадский миллионер, прикованный к инвалидной коляске, передал Университету Пердью целую кучу денег, предназначавшихся для исследований Боргенса. Боргенс пустил эти средства на создание Центра по изучению паралича в Школе ветеринарной медицины в Пердью.
С появлением у лаборатории денег и нового здания Боргенс наметил следующую цель. Он хотел опробовать спинномозговую стимуляцию осциллирующим электрическим полем в клинических испытаниях на людях. Но с одними лишь результатами экспериментов на крысах или морских свинках к FDA не подступишься: диаметр спинного мозга этих зверьков в десять раз меньше, чем у человека. Результаты воздействия электрического поля будут отличаться так сильно, что в испытаниях не будет никакого смысла.
Поэтому Боргенсу пришлось довольствоваться собаками. Это не только было более близким приближением к анатомии человека, но также давало Боргенсу возможность устранять реальные повреждения. Поражения спинного мозга у собак имеют много общего по характеру с поражениями спинного мозга у человека: это результаты тяжелых несчастных случаев с компрессиями или раздроблениями, а не аккуратных искусственных разрезов скальпелем, произведенных в лаборатории. Такая работа могла стать важной ступенью на пути к испытаниям на людях (кроме того, надо сказать, что Боргенс любил собак).
Он связался с компанией Doggy Kart, занимавшейся изготовлением вспомогательных устройств для парализованных собак. Возможно, вы видели собак, передвигающихся при помощи таких приспособлений, похожих на детскую игрушечную коляску. Задняя часть тела собаки закреплена на тележке, которая катится за счет движения передних лап. Как бы мило это ни выглядело для посторонних прохожих, для собак и их хозяев паралич – тяжелая ситуация. Хозяин парализованной собаки должен несколько раз в день вручную опорожнять ей кишечник и мочевой пузырь. Обычно в таких случаях ветеринары советуют усыпить животное.
Бонерт рассказала, что центр предлагал оплачивать операцию на спинном мозге, если владелец животного соглашался на имплантацию стимулятора. “Мы также предоставляли им тележку, – рассказывала она. – И только просили, если собаке станет лучше, вернуть потом тележку обратно”. В первых испытаниях участвовало двадцать четыре собаки, и тринадцати из них были встроены настоящие стимуляторы[262]. Необходимо подчеркнуть, что в таком эксперименте нельзя было проверить, росли ли нервные отростки именно так, как предполагал Боргенс. Домашние собаки – не миноги, их нельзя усыпить после испытаний, выделить спинной мозг и посмотреть, как нервы отреагировали на электрическую стимуляцию. Любые заключения можно делать лишь на основании поведения животных при наличии каких-либо видимых изменений. Через шесть месяцев семь собак заново обрели способность ходить, причем две из них ходили почти так же, как ходят собаки, у которых никогда не было никаких повреждений. Остальные смогли контролировать работу кишечника и мочевого пузыря, а также восстановили другие функции. И эти изменения были долгосрочными[263].
Благодаря этим успешным результатам в начале 1990-х годов испытания были расширены. Для участия в испытаниях владельцы присылали собак со всей страны. Боргенс пригласил на работу нейрохирурга из Университета Индианы Скотта Шапиро, чтобы встраивать больше устройств большему количеству животных. К 1995 году они провели операцию примерно тремстам собакам с повреждениями спинного мозга. “Без лечения 90 % этих собак были бы усыплены”, – рассказывал Боргенс корреспонденту из Chicago Tribune[264]. “Мы получили обратно много тележек”, – прокомментировала Бонерт.
Спасение собак от паралича и усыпления не вызвало никаких негативных комментариев. Успех был впечатляющим, и Университет Пердью заработал внимание прессы и деньги. В 1999 году Боргенс добился внесения дополнения в закон штата Индиана, в соответствии с которым штат обязался выплачивать Университету Пердью полмиллиона долларов ежегодно на исследования повреждений спинного мозга[265]. В следующем году владелица гоночной трассы Indianapolis Motor Speedway Мэри Халман Джордж (если вы следили за гонками Indy-500 в период между 1997 и 2015 годами, вы слышали ее голос, произносивший: “Леди и джентльмены, заводите свои моторы!”) пожертвовала еще 2,7 миллиарда долларов[266]. Теперь денег было достаточно, чтобы начать испытания на людях. Шапиро и Боргенс начали длительный процесс получения разрешения FDA. “На это ушло два года и четыре здоровые стопки документов, но мы получили разрешение на то, чтобы встроить десять устройств десяти пациентам”, – рассказывал Шапиро.
Университет Пердью сделал большое официальное заявление о начале испытаний на людях. Вокруг сцены бродил лоснящийся коричневый пойнтер по кличке Юкон, который за четыре года до этого был парализован после разрыва позвоночного диска, но был спасен Боргенсом и его командой[267]. Дэвид Гайслер, членом семьи которого был Юкон, рассказывал душераздирающую историю о том, как принес своего любимца в центр, чтобы попросить включить его в испытания, зная, какая участь ждет пса в случае отрицательного ответа. “Люди видели, как я рыдал”, – рассказывал Гайслер. Метод стимуляции электрическим полем сработал. “Я понял, что ему лучше, когда он начал вилять хвостом”[268]. К тому моменту, когда было объявлено о проведении испытаний на людях, Юкон уже скакал вверх и вниз по лестнице. В день пресс-конференции в воздухе витало ощущение надежды. События освещались в газете Los Angeles Times[269]. Планка перед исследователями стояла высокая.
Брендон Ингрэм и девять других добровольцев были парализованы на протяжении краткого промежутка времени, не превышавшего двадцать один день до начала лечения. Повреждения у всех были катастрофическими. Боргенс и Шапиро встроили им устройства размером с кардиостимулятор и оставили на пятнадцать недель. Они полагали, что за это время осцилляции поля направят рост аксонов через поврежденные участки, как это происходило у миног, крыс и морских свинок. И надеялись получить такие же изменения функции и чувствительности, какие наблюдались у собак.
После удаления устройств Боргенс и Шапиро наблюдали за участниками еще на протяжении одного года, время от времени оценивая происходившие изменения. К сожалению, немногие сообщали о таком же восстановлении подвижности, как у Ингрэма, однако возвращение способности ходить – далеко не главная цель при проведении операций на спинном мозге. Как следует из опросов, люди с поражением спинного мозга в среднем помещают возвращение способности ходить в конец длинного списка более важных задач, где выше ходьбы числится возможность самостоятельно справлять нужду, вернуть чувствительность и хотя бы слегка менять положение тела, чтобы предотвращать образование пролежней. И участники испытаний вернули себе некоторые из этих способностей.
Через год у всех участников, кроме одного, в значительной степени восстановилась чувствительность рук и ног. Восстановилось ощущение легкого прикосновения и боли, сексуальная функция, частично восстановилась проприоцепция (восприятие положения собственного тела). Контроль функции кишечника и мочевого пузыря ни у кого не восстановился. Но это не сильно разочаровало исследователей, поскольку Боргенс никогда не заявлял, что сможет помочь людям вновь ходить. “Ричард постоянно напоминал нам: «Никогда не утверждайте, что мы излечиваем от паралича – мы просто возвращаем некоторым людям некоторые функциональные способности»”, – рассказывала мне Бонерт. Два пациента, включая Ингрэма, действительно в какой-то степени восстановили функцию нижних конечностей и оба вспоминали, что еще один пациент впервые после поражения позвоночника смог вытягивать ноги параллельно полу. Важнее всего, что вновь обретенные способности оставались надолго. “Эти были стойкие улучшения”, – рассказывал Шапиро.
Результаты были настолько впечатляющими, что нашли отражение на обложке журнала Journal of Neurosurgery: Spine в 2005 году. На этой фазе клинических испытаний определяется безопасность лечения, а не его эффективность, так что функциональные улучшения “не идут в зачет”. Но это было не страшно. Главное – что устройство преодолело первый этап испытаний: без смертей, без инфекций и без болезненных побочных эффектов. Стимуляция осциллирующим электрическим полем была признана безопасной.
Чтобы продавать устройство, нужно было пройти еще несколько стадий испытаний. В США устройства такого рода не разрешается выпускать в продажу без четких указаний Управления по контролю за качеством пищевых продуктов и лекарств. Если FDA не разрешает применять устройство, значит, продавать его нельзя. Точка.
Понятно, что газеты не выражали бурных восторгов по поводу того, что устройство прошло рутинную проверку. Но появлялись заголовки такого рода: “Новый метод восстановления нервов дарит людям надежду”[270]. Наиболее замечательным был случай Ингрэма. Он мог самостоятельно одеваться, принимать душ и садиться в машину, о чем рассказывал журналистам, которые навещали его еще два года спустя[271].
После подтверждения безопасности на первой стадии испытаний FDA дало разрешение на проведение второй стадии еще на десяти пациентах с тяжелыми поражениями спинного мозга[272]. Эта стадия принципиальным образом отличалась от предыдущей: нужно было показать не только, что метод безвреден, но и что он действительно работает. Самый главный способ доказательств такого рода в любом научном исследовании заключается в том, чтобы снабдить одних участников реальным устройством, а других – плацебо, безвредным “псевдостимулятором”. Наличие такой контрольной группы с плацебо вместо действующего устройства – золотой стандарт для любых клинических испытаний. Сравнение позволяет увидеть разницу с реальным устройством. Если разница между улучшением состояния людей в контрольной группе и в группе людей с реальным устройством достаточно велика, можно дополнительно расширять выборку участников для получения более точных результатов и определять, насколько реален и существенен терапевтический эффект.
Нейрохирург Скотт Шапиро методично готовился к проведению всех этих этапов. Он привлек к работе еще троих нейрохирургов из других медицинских центров, которые согласились принять участие в следующей стадии небольших контролируемых рандомизированных испытаний. Потом он планировал обратиться в Национальный институт здоровья для организации более обширных испытаний на восьмидесяти пациентах, сорок из которых получат функциональный стимулятор. Для Шапиро порядок действий был понятен, и действовать следовало именно таким образом.
Но Боргенс думал иначе. Он старел и последние двадцать пять лет в основном занимался только этой работой. Он устал от крохотных шагов, а реклама и шумиха мешали думать поступательно. Он хотел выпустить продукт на рынок. Но дизайн стимулятора осциллирующим полем было тяжело продать крупным производителям оборудования, таким как компания Medtronic. На таком сравнительно редком повреждении много денег не заработаешь. Более того, для компаний имело значение, что подобные повреждения в большинстве случаев получали незастрахованные мужчины (чаще всего это были пулевые ранения и повреждения в результате глубоководных погружений). Боргенс полагал, что сможет произвести прибор и продать его крупной богатой компании, перепоручив ей таким образом всю бумажную волокиту, необходимую для получения разрешения от FDA. И поэтому через три месяца после выхода журнальной статьи он и несколько его коллег основали стартап под названием Andara Life Sciences и запросили защищенное авторское право на стимулятор осциллирующим полем. За год они основали новую крупную и богатую компанию, которая быстро поглотила предыдущую[273]. Компания называлась Cyberkinetics – это была та же самая группа, которая вела проект BrainGate. Да, это были те же ребята.
Университет Пердью купался в золотых лучах славы Боргенса. Его исследования привлекали как государственные, так и частные средства. Мэри Халман Джордж вновь залезла в карман своего фонда и вложила в дело еще 6 миллионов. Очень быстро устройство завоевало целый ряд одобрительных отзывов от промышленных экспертов, жадно предвкушавших появление на рынке первого устройства для регенерации нервов: это “потрясающий прорыв в нейротехнологии”, объявил редактор издательства Neurotech Business Report Джеймс Кавуото[274]. Однако стимулятор электрическим полем все еще был исследовательским инструментом и не был разрешен для продажи, а только для клинических испытаний (над тонкостями которых по-прежнему методично работал Шапиро). Компания Cyberkinetics хотела побыстрее начать зарабатывать деньги и запросила у FDA для своего устройства гуманитарный статус, который позволил бы перейти к коммерческим продажам уже в конце 2007 года. Боргенсу и Бонерт дали понять, что одобрение было лишь формальностью. “Нам сказали: да не беспокойтесь об этом, мы знаем, как вести себя с FDA”, – рассказывала Бонерт. Компания Cyberkinetics надеялась, что начнет продавать приборы уже в следующем году.
Отступник
Кен Робинсон забеспокоился. Читая статью Боргенса и Шапиро, он задался вопросом, почему был выбран пятнадцатиминутный интервал между переключением катода и анода. Проанализировав ссылки на источники литературы, он обнаружил, что авторы ссылались как раз на него самого. Для Робинсона это было полной неожиданностью, поскольку в статье, на которую ссылались авторы, ничего такого не было. “Мою работу неправильно интерпретировали”, – рассказывал он.
Робинсон никогда не видел, чтобы нейроны млекопитающих реагировали на физиологическое поле таким же образом, как нейроны земноводных. Чтобы получить какой-то эффект у млекопитающих, требовалось в десять или даже в сто раз более сильное поле. По этой причине Робинсон попытался воспроизвести эксперимент на рыбках данио. Эксперимент должен был быть простой формальностью и проводился “для галочки”. Однако нейроны рыб никак не реагировали на “физиологические” токи. “Мы были ошарашены, – рассказывал Робинсон. – Нельзя экстраполировать результаты земноводных на других животных и предполагать, что они будут теми же, особенно у млекопитающих. И это заставило меня взглянуть на всю картину в целом”.
В 2007 году Робинсон изложил свои сомнения Шапиро в длинном письме, спрашивая, видели ли исследователи на самом деле этот пресловутый двунаправленный рост у кого-то, кроме лягушки. “Ответа я так и не получил”, – прокомментировал он. Робинсон заволновался, что эксперименты были этически не оправданы. “У них просто не было достаточных оснований для проведения таких экспериментов”.
Как могут ученые делать хоть какие-то заявления относительно пользы лечения, если в исследовании не предусматривалось участие людей, не получавших лечения, как в первых испытаниях на безопасность? Как учитывался эффект плацебо? Не было никакой возможности проверить улучшения в отношении роста нервных отростков, о которых говорили добровольцы, если только не производить вскрытие. Шапиро и Боргенс проводили сравнение с участниками из других групп, не связанных с их экспериментами. Действительно, никто из десяти участников не пострадал, но эксперименты “были неэтичными даже с учетом того, что пострадавших не было”, настаивал Робинсон. Он утверждает, что отсутствие необходимой базовой работы означает, что постановка эксперимента со стимулятором была совершенно произвольной, и одно только это делает проведение таких экспериментов неэтичным. Организация компании и продажа такого устройства только усугубляли ситуацию.
Эти доводы легли в основу обзорной статьи, которую Робинсон и его коллега Питер Корми опубликовали в 2007 году, полагая, что достаточно долго ждали ответа на свое письмо[275]. Статья разносила работу Боргенса в пух и прах. Как следствие, Робинсон немедленно был исключен из рядов последователей Джеффа. Разрыв был настолько быстрым и непоправимым, что Робинсон, вышедший на пенсию и живущий в Орегоне, по сей день сам себя считает “отступником”. Обычно так называют религиозных людей, отказавшихся от своей веры. Но неблагоприятная обзорная статья была лишь первой каплей в надвигавшейся грозе.
Вопреки ожиданиям, приобретение устройства компанией Cyberkinetics не открыло путь к испытаниям. Вообще говоря, Шапиро никто не сообщил о продаже устройства компании. “Я ничего не знал”, – рассказывал он. Он был погружен в детали своего последовательного проекта – он уже встроил имплантаты двум новым пациентам, и все шло хорошо. “И вдруг появляется эта компания, забирает все мои документы и устройства и отстраняет меня от работы”.
Никто не знал, что в 2007 году компания Cyberkinetics находилась на грани банкротства и остро нуждалась в коммерческом продукте. “Они пытались протащить устройство через FDA как бы для гуманитарных целей на основании данных по двенадцати пациентам, – рассказывал Шапиро. – Я знал, что у них ничего не получится”. В какой-то момент FDA не только отказалась сертифицировать прибор для гуманитарных нужд, но и отозвала разрешение на привлечение новых пациентов ко второй фазе испытаний.
Но Боргенс ничего этого не понимал. Казалось, FDA просто откладывало разрешение, специально оттягивая время, пока ни у кого в проекте не останется денег и он не завянет и не умрет.
Небольшое отступление в защиту FDA: пожалуй, FDA является самым недофинансированным, перегруженным и оклеветанным регуляторным органом в Соединенных Штатах. Его задача заключается в том, чтобы убеждаться, что любое лекарство и прибор удовлетворяют заявленным характеристикам и не убивают людей. Поддерживающие развитие бизнеса политические администрации любят сокращать финансирование FDA, считая, что управлению просто нравится препятствовать инновациям. Но когда FDA плохо делает свою работу, появляются такие вещи, как кошмарные вагинальные сетки или протекающие протезы груди. Именно благодаря FDA во время эпидемии COVID-19 бракованные вентиляторы были отозваны, пока они не успели никого убить.
Однако во время грустной истории со стимулятором осциллирующим полем FDA было далеко не таким, как сейчас, и отчасти это повлияло на судьбу устройства.
Дженнифер Френч, как и Джеймс Кавуото, была недовольна тем, как управление рассматривает заявку компании Andara на одобрение прибора. Френч была адвокатом пациентов в FDA и следила за процессом изнутри. Кроме того, она и сама не понаслышке знала о повреждениях спинного мозга. В 1998 году в результате несчастного случая на сноуборде она повредила позвоночник и осталась полностью парализованной. Год спустя она стала одним из первых добровольцев, опробовавших новейший электрический имплантат под названием “имплантируемый нейронный протез”, который на время возвращает парализованным людям возможность стоять и двигаться. Эффект достигается за счет подачи электрических импульсов в мышцы и нервы через электроды, размещенные в строго определенных местах. Роль испытателя новейшего нейроинженерного устройства дала ей редчайший опыт в осознании разрыва между тем, что требуется людям, и тем, что пытались им дать исследователи. Вскоре она стала защищать людей с неврологическими расстройствами, в частности, помогать агентствам, призванным отличать полезные устройства от “змеиного масла”.
С точки зрения Френч, самым привлекательным и статистически значимым достоинством стимуляции осциллирующим электрическим полем была возможность восстановления чувствительности. Возвращение чувствительности жизненно важно для людей с повреждениями спинного мозга. Это позволяет избежать пролежней – повреждений кожи. Если вы не можете ощущать свою кожу, повреждения могут остаться незамеченными, инфицироваться и вызвать сепсис, отравив кровь. Сепсис – одна из двух основных причин смерти людей с повреждениями спинного мозга.
Но при оценке доказательств эффективности устройства комментарии людей о влиянии этого устройства на их жизнь FDA интересуют меньше, чем “объективные” параметры. Вот почему в 2007 году восстановление чувствительности не входило в число критериев FDA для оценки эффективности устройства. “Устройство воспринималось в качестве черного ящика”, – комментирует Френч. Управление хотело получить доказательства, которые могли бы оценить независимые клиницисты, специализирующиеся на моторной функции. Сегодня благодаря деятельности таких людей, как Джен Френч, ситуация изменилась и FDA учитывает отзывы самих пациентов в гораздо большей степени, чем раньше.
Но в то время эта сторона дела не очень сильно интересовала FDA. Устройство почти не помогало людям подняться на ноги, так зачем проводить дополнительные испытания и делать исключения? Кроме того, в отличие от сегодняшней ситуации, управление еще не выработало программу, помогающую компаниям проделывать всю бумажную работу, необходимую для подтверждения безопасности и эффективности их продуктов. Компании просто могли оценивать какие-то показатели по своему усмотрению. Кто-то это делал, а кто-то нет.
Тем временем компания Cyberkinetics продолжала ждать исключительного разрешения, которое было обещано, но откладывалось месяц за месяцем. “В то время FDA долго принимало решения”, – рассказывал Кавуото. Даже если оно не обращало внимания на отзывы пациентов, для принятия решения оно собирало огромное количество других доказательств. Возможно, в их число вошел и обзор Робинсона. А вот публичное заявление всемирно известного нейробиолога, опубликованное в одной из ведущих газет, FDA учла наверняка. В 2007 году Мигель Николелис из Университета Дьюка дал интервью газете Boston Globe относительно стимуляции осциллирующим полем[276]. “Я не могу сказать ничего хорошего об этой компании, – раздраженно заявил он. – За их последней попыткой быстро заработать деньги или удержать от падения курс своих акций я не вижу никакой реальной науки”.
Что Мигель Николелис знал о физиологических полях? Вообще говоря, немного, как оказалось. “Это не имело никакого отношения к компании Andara”, – комментировал Кавуото. Зато имело непосредственное отношение к Джону Донохью, основателю Cyberkinetics, которого, по признанию Кавуото, Николелис ненавидел. Оба были новаторами в области мозго-машинного интерфейса, но Донохью был любимцем прессы, которому The New York Times выделяла целые колонки, а Николелис – нет, и это его ужасно злило. “Николелис совсем ничего не знал об этой технологии, он знал только, что это технология компании Джона Донохью”.
После публикации такого отрицательного отзыва Кавуото выступил в прессе с защитой, призывая FDA не слушать Николелиса. Но было слишком поздно. Кавуото считает, что статья способствовала краху компании. “FDA тянуло время, [Cyberkinetics] израсходовала средства, а инвесторы перекрыли кислород. Это был конец”. А в 2008 году разразился кризис. Cyberkinetics, Andara, разрешение на гуманитарное применение устройства – все кануло в Лету.
Теперь, пятнадцать лет спустя, Кавуото все еще сожалеет обо всем, что тогда произошло, и не только о судьбе самого устройства. “Когда Cyberkinetics осталась не у дел, а именно этого добилась FDA, исследователям и инвесторам был передан четкий сигнал”: будете заниматься этим – никуда не продвинетесь. Результат этих действий, по мнению Кавуото, сказывается уже более десяти лет. “Я считаю, что это решение отбросило развитие данного направления лет на десять назад”.
Конец пути
Тем временем лаборатории в Пердью так и не удалось как следует организовать вторую стадию испытаний. “FDA не давало разрешения ее начать, – рассказывала Бонерт. – Они лишь требовали дополнительную информацию. Мы так и не поняли зачем. Помню, я однажды спросила Ричарда, кого он так достал”. Но даже после всех неудач Боргенс оставался верен себе и не отступал. Несколько раз он пытался собрать воедино все, с чем он остался. Он и Шапиро, а позднее его сотрудник Цзянмин Ли прилагали нечеловеческие усилия, чтобы возродить к жизни метод стимуляции осциллирующим полем или хотя бы спасти его от окончательного забвения. В 2012 году Шапиро опубликовал отчет о результатах применения метода с участием еще четырех пациентов, которых ему удалось привлечь. В 2014 году он выпустил еще один аналогичный обзор в европейском журнале, отчасти с той же целью – сохранить научную значимость работы[277].
Но в конце концов все это оказалось слишком даже для Боргенса. “FDA завалило его таким количеством бумаг, что он в конечном итоге сдался”, – рассказывала Энн Ражничек, которая делала диссертацию в лаборатории Робинсона, но ушла после всех этих событий. “Вы знаете, он поднимал руки так высоко, как только мог, и говорил, что вот настолько завален бумажной работой для FDA, чтобы что-то получилось, и добавлял, что больше у него уже нет сил”.
Ли, который теперь стал профессором, попытался подхватить инициативу. Он модернизировал электронную часть стимулятора и оптимизировал размещение электродов. Технологический прогресс со времен 2001 года позволил кардинально усовершенствовать устройство: появилась возможность менять настройки, использовать новые алгоритмы, контролировать устройство удаленно через приложение. Но Боргенс уже переключился от технологии к изучению лекарственных средств, которые могли бы способствовать сращиванию нейронов[278].
В 2018 году у него был диагностирован рак простаты. Именно тогда Университет Пердью произвел чистку рядов. Бонерт утверждает, что один из деканов вынудил Боргенса уйти. Те сотрудники, которых не уволили, либо ушли на пенсию, либо перешли в другое место. Боргенс скончался в конце 2019 года.
И даже тогда Ли пытался продолжать работу своего бывшего учителя, поддерживая жизнь Центра исследований паралича и жизнь стимулятора[279]. Когда срок действия исходного патента истек, Ли подал заявку на новый и опубликовал данные о некоторых усовершенствованиях[280]. Была предпринята попытка заключить сотрудничество с Западным университетом Кейса для проведения испытаний новой версии стимулятора на людях. А потом началась эпидемия COVID.
В этом хаосе Ли был заменен на посту новым директором, который сменил направление исследований центра, прекратив дальнейшую работу над стимулятором осциллирующим полем. “Это ужасно грустно, – рассказывала Бонерт. – Это был способ помочь людям, а они не дали ему возможности развиваться”. Шапиро покинул Университет Индианы и вышел на пенсию в 2021 году. От Ричарда Боргенса в Университете Пердью осталась лишь дверь кабинета, раскрашенная в цвета флага Техаса.
Прошли десятки лет, а в истории компании Andara все еще остается множество вопросов. Преуспела бы она, если бы ее не проглотила Cyberkinetics, если бы не случился кризис? Прав ли был Робинсон насчет того, что в начале работы Боргенс перескочил через важнейшие стадии, которые вышли бы боком на более поздних стадиях испытаний? Или эта концепция просто слишком сильно опередила время?
Было создано некое устройство, воздействовавшее на нейроны, но не имевшее ничего общего с такими известными концепциями, как нейронный код или потенциал действия. Был разработан некий механизм заживления на основе электричества, который не был понятен биологам и вызывал к жизни старые воспоминания о шарлатанах от мира электричества. “Это действительно была совершенно передовая разработка, – рассказывал Ричард Нучителли. – Это была попытка восстановить спинной мозг (способствовать новому росту) – традиционные электрофизиологи о таком совсем ничего не знали. И их это не интересовало – их интересовали только потенциалы действия”.
Сегодня в новостях опять появляются сообщения о стимуляции спинного мозга[281]. Но в центре внимания этих новых исследований, посвященных восстановлению проводимости спинного мозга в традиционном понимании, вновь находится потенциал действия. Эти методы не направлены на восстановление поврежденных аксонов, а заключаются в подаче интенсивных электрических импульсов на любые оставшиеся аксоны спинного мозга с целью заставить их проводить потенциалы действия, ответственные за двигательную функцию. Выясняется, что эти оставшиеся неповрежденными пути обладают некоторой пластичностью, которую обычно приписывают нейронам мозга. И теперь в исследованиях повреждений спинного мозга чаще применяют именно такой подход, а не сращивание разорванных нейронов. И в этом направлении есть кое-какие достижения. Некоторые люди, которые не могли ходить до этого технологического вмешательства, теперь ходят. “Возможно, если бы компании Andara разрешили действовать, это бы произошло на много лет раньше, с помощью других подходов, – сокрушается Кавуото. – Возможно, больше людей с повреждением спинного мозга вернули бы себе способность ходить”.
Вообще говоря, быть может, устройство Боргенса тоже работало по этому принципу? Или современные устройства эффективны по той причине, что какие-то поля способствуют такому же воссоединению аксонов, какое предполагается при стимуляции осциллирующим полем? Проблема в том, что у нас нет возможности проверить, был ли Боргенс прав относительно механизма, восстановившего двигательную способность Брендона Ингрэма. Вскрыть человеческое тело, как тело собаки, чтобы это проверить, не получится.
Однако ответ на этот вопрос вскоре может быть найден благодаря результатам исследований биоэлектричества в других участках тела. Становится ясно, что Ричард Боргенс обнаружил биоэлектрические свойства клеток, которые мы начинаем понимать в полной мере только сейчас. Физиологические поля, которые Боргенс использовал при стимуляции осциллирующим полем, абсолютно реальны и существуют не только в клетках спинного мозга. Это электрическое свойство присуще абсолютно всем живым клеткам тела. Возможно, Боргенс просто запрягал лошадь позади телеги, но совершенно очевидно, что он нащупал нечто универсальное. И по мере того, как эта область исследований, наконец, начинает созревать, появляются теории о том, как физиологические электрические поля исправляют повреждения в теле и как создавать новые устройства, помогающие этому процессу.
Работу Боргенса продолжают воспроизводить в небольших испытаниях; одно из последних таких исследований было проведено в 2018 году группой словацких ученых, которые в точности воссоздали метод стимуляции осциллирующим полем. Исследователи проверили метод на крысах. С помощью более совершенных современных методов визуализации и анализа, недоступных работавшему с крысами тридцать лет назад Боргенсу, они смогли увидеть, что же в реальности делает метод стимуляции осциллирующим полем. Под воздействием электрического поля поврежденные аксоны протягивались через место повреждения и успешно состыковывались со своими оборванными концами. Возможно, мы еще услышим о стимуляции осциллирующим полем.
Выходит, что интуиция все же не подвела Боргенса.
Все эти батарейки
За те десятилетия, пока Боргенс вел свою борьбу, другие исследователи быстро заполняли “периодическую таблицу” всех клеток тела, реагирующих на сверхслабые физиологические электрические поля.
Колин Маккейг вознамерился твердо доказать, что нервы и мышцы меняют свою ориентацию в пространстве под действием слабого электрического поля. Он понял, что это необходимо подтвердить, чтобы убедить скептиков, и что ему это удастся, если он покажет, как так называемые “физиологические поля” вызывают тот же эффект в других тканях организма. Он пригласил в свою лабораторию в Университете Абердина в Шотландии бывшую воспитанницу Робинсона Энн Ражничек и Чжао Мина, который учился у одного из лучших китайских хирургов-травматологов. Вместе они намеревались показать, что биоэлектричество играет важную роль во всем теле. Какие еще клетки можно притягивать катодом?
Выяснилось, что почти любые. Те же слабые поля, которые Боргенс пытался использовать для сращивания поврежденных аксонов и которые, как обнаружил Пу, определяли рост нейритов спинного мозга, вызывали направленное движение клеток кожи, иммунных клеток, макрофагов, костных клеток и, вообще говоря, фактически всех проанализированных клеток.
Чжао был чрезвычайно удивлен невероятными возможностями этих электрических полей. Прибыв в лабораторию Маккейга, он ожидал стандартной ситуации: как обычно в научных исследованиях, ему предстояло некоторое время анализировать очередной интересный фактор среди многих других в еще одном сложном биологическом процессе. Понятно, что такая работа важна, но он не думал, что она будет настолько захватывающей и иметь какие-то далеко идущие последствия. Что она сможет изменить мир. Так обычно происходит в биологии: в любом процессе задействовано слишком много факторов, чтобы выделить один доминирующий. Это особенно заметно в таком процессе, как заживление ран, где участвуют многие взаимодействующие между собой факторы роста, цитокины и другие элементы. Как говорит Чжао, “у каждого есть своя любимая молекула, и каждый готов показать, насколько значительную роль она играет”. Но когда Чжао использовал электричество в экспериментах по заживлению ран, результаты получились просто невероятные.
Чжао был поражен. Влияние слабенького электрического поля преобладало над влиянием любых факторов роста, генов и всех других элементов, которые прежде считались ответственными за заживление ран[282]. Клетки делали то, что велело им делать электрическое поле, вне зависимости от того, какие еще факторы пытались привлечь их внимание[283]. Это явный признак эпигенетического параметра. “И тогда я понял, что мы работаем с чем-то более важным, чем полагали другие и даже я сам”, – рассказывал мне Чжао.
К его удивлению (а также к удивлению Маккейга и Ражничек), их открытие никого не заинтересовало. Казалось бы, это было открытие революционного значения, например, для репарации тканей или понимания эмбрионального развития – для чего угодно на самом деле, но оно осталось почти незамеченным другими электрофизиологами[284]. Электричество этого не делает. Многие ученые отнеслись к их исследованию с таким же скепсисом, с которым обычно относятся к гомеопатии.
Однако группа из Абердина не унывала. Она действовала. Исследователи нащупали лишь первые свидетельства значимости этих полей. Важно было не то, что отдельные клетки перемещались по чашкам Петри. Вообще говоря, тело состоит не из множества отдельных перемешанных клеток, а из гигантских конгломератов клеток, организованных в виде тканей и органов. Из них состоят четыре основных типа тканей: кроме мышечной и нервной ткани есть также соединительная ткань и эпителиальная ткань (кожа). Возможно, исследователи из Абердина могли разгадать старинную загадку, почему при повреждении эти ткани излучали электричество.
Наша кожа – это конгломерат из миллиардов клеток со строго координированной функцией. Верхний слой кожи состоит из эпителиальной ткани и называется эпидермисом. Если воспользоваться очень сильным упрощением, кожу можно сравнить с клеточной мембраной, увеличенной до размера всего тела. И это сравнение особенно удачно для объяснения электрических свойств.
На поверхности эпителия существует электрическое напряжение. Его можно рассматривать в качестве сигнала нормального состояния. Когда кожа цела, на ней создается электрический потенциал, так что заряд на внешней поверхности всегда остается отрицательным по сравнению с внутренними слоями.
Но интереснее то, что происходит при порезах. Когда эпителиальные слои эпидермиса разрываются, все ионы натрия и калия, спокойно путешествовавшие через щелевые контакты, в беспорядке рассеиваются во все стороны. Если вы перережете провод, произойдет короткое замыкание, что означает, что электричество начнет распространяться по всем направлениям. Обычные пути прохождения тока размываются, и ионы занимают все доступное пространство.
Как я упоминала во введении, именно такое распространяющееся из раны электричество мы чувствуем, когда прокусываем себе щеку и дотрагиваемся до ранки языком. Это покалывание создается электричеством. По воспоминаниям Ражничек, Кен Робинсон в Пердью показывал студентам гораздо более впечатляющие опыты. Он брал амперметр с покоящейся на нуле стрелкой и проецировал шкалу на экран лекционного зала. Затем он демонстрировал два лабораторных стакана с солевым раствором, которые были подсоединены к прибору, и театральным жестом помещал туда пальцы, чтобы показать, что стрелка прибора не двигалась. А на следующем этапе, который Ражничек выполнять не рекомендует, надрезал себе палец бритвой и вновь помещал уже окровавленный палец в стакан. Стрелка резко прыгала. “Видно было, как усиливается ток, – рассказывала она. – По аудитории каждый раз прокатывались вздохи”.
Этот ток создает электрическое поле, влияние которого можно почувствовать в теле в пределах некоторого расстояния. Для соседних клеток оно действует одновременно как охранная сигнализация, сигнал тревоги и компас. Мумин По и Энн Ражничек использовали искусственное электрическое поле для перемещения отдельных клеток по чашке Петри, а естественные поля, возникающие под действием тока из раны, привлекают к ране целые полчища клеток. Этот ток вызывает и направляет “скорую помощь” тела: кератиноциты и фибробласты восстанавливают структуру ткани, а макрофаги убирают оставшийся мусор. Все вместе они работают над восстановлением эпидермиса. Что еще круче – электрическое поле привлекает клетки к центру раны. Это наш естественный катод, огромная красная мишень, к которой устремляются все подвижные клетки-помощники.
Так начинается процесс заживления. По ходу заживления раневой ток и созданное им электрическое поле постепенно угасают. К моменту полного затягивания раны раневой ток уже не определяется. Так происходит во всех клетках эпителия.
И знаете что? Кожа – не единственная эпителиальная ткань в вашем теле.
Для еще большего упрощения можно сравнить эпителий кожи с термопленкой, которая покрывает тело и отделяет то, что находится снаружи, от того, что находится внутри. И как все наше тело обернуто многослойным электрическим эпителием, который мы называем кожей, так и все наши органы обернуты собственной электрической пленкой.
В зависимости от конкретного органа эта эпителиальная пленка может быть внешней или внутренней (формально, если она находится внутри, ее называют эндотелием, но суть от этого не меняется). Некоторые органы имеют две такие пленки: например, сердце покрыто пленкой и снаружи, и изнутри. Такая пленка покрывает почки и печень. Ею выстланы ротовая полость, кровеносные сосуды, полые части всех органов, таких как легкие, глаза, мочеполовые пути, кишечник, вагина, простата. Я не преувеличиваю: эта пленка есть повсюду. Функция клеточной мембраны заключается в создании границы между внутренним пространством клетки и внешней средой, а эта пленка определяет, что может входить и выходить из органов, которые она окружает (при участии системы циркуляции крови). И поскольку эпителий и эндотелий электрические, это означает, что и все органы тоже электрические. Каждый орган нашего тела имеет и активно использует электрическое напряжение. Понять задачу “батарейки” сердца легко: сердце в буквальном смысле использует электрическое поле для поддержания сокращений. “Это электрические сокращения”, – рассказывает Нучителли. Но такие батарейки есть и в почках. Есть батарейки молочной железы. Есть батарейки простаты (привет Александру фон Гумбольдту). Батарейки есть всюду, где электрический ток пересекает эпителий.
Возможно, труднее всего понять смысл батарейки глаза, но это очень интересно. При ранении в глазу возникает чрезвычайно сильный ток, позволяющий ускорить процесс заживления поврежденной роговицы и хрусталика[285]. Причина заключается в том, что эпителий сетчатки – одна из самых активных в электрическом плане тканей тела: наша способность видеть хоть что-нибудь объясняется наличием во многих слоях сетчатки блуждающих электрических токов и полей, которые в 1970-е годы исследователи называли “темным током”[286]. Возможно, это название ассоциируется у вас с музыкой Pink Floyd, но оно фактически точное: этот ток возникает только в темноте. Включите свет – натриевые каналы защелкнутся, и уже группа других сигналов обеспечит цветовое зрение.
Итак, получается, что нервы, мышцы и кожа – электрические ткани. Остается последняя категория – соединительные ткани, такие как кости и кровь, которые соединяют и поддерживают другие ткани. Они тоже электрические?
Вы бы не читали книгу “Мы – электрические”, если бы это было не так, и я избавлю вас от сомнений.
Кости тоже электрические. Кость – пьезоэлектрическая материя, что означает, что эта ткань может превращать одну форму энергии (например, энергию компрессии при беге) в другую. Например, давление на кости в процессе ходьбы способствует укреплению костей, поскольку под влиянием механической активности клетки кости производят электрические заряды, которые транслируются в сигналы, способствующие росту кости. При повреждении костной ткани рана испускает сильный ток; в местах разрыва появляется электрическое напряжение, способствующее заживлению.
Короче говоря, невозможно обсуждать живую систему, не признавая ее электрической составляющей. Без электричества нас бы не было.
Но если тело в норме использует собственное электричество для заживления повреждений, не можем ли мы научиться контролировать его таким же образом, как при применении кардиостимуляторов и глубокой стимуляции мозга?
Игровое поле
Теперь мы знаем, что манипуляции с электричеством тела могут нарушать естественные восстановительные процессы в организме. В экспериментах с крысами шотландские исследователи установили, что с помощью лекарств, блокирующих каналы и ингибирующих перемещение ионов натрия, можно нарушить передачу электрических сигналов раневыми токами, и в результате раны заживают дольше[287].
Но верно ли обратное? Можно ли ускорить процесс заживления, усилив естественное электричество тела? Некоторые клинические исследования, проведенные за последнее десятилетие, показывают, что это возможно. Наверное, один из худших типов повреждений – это пролежни, которые могут зарастать месяцами или годами (а могут и не зарастать вовсе) и затрагивают глубокие подкожные ткани, мышцы и кости. Большинство исследований с применением электрической стимуляции для заживления ран у человека было проведено именно на этом типе повреждений: подобно глубокой стимуляции мозга, этот метод – последнее средство в тех случаях, когда никакие другие методы уже не помогают. После многолетних экспериментов такого рода две группы исследователей провели метаанализ и пришли к выводу, что усиление естественного раневого тока с помощью электрической стимуляции увеличивает скорость заживления почти вдвое.
Причем данный эффект не ограничивается заживлением кожных повреждений. После 1980-х годов начали накапливаться доказательства того, что аналогичные слабые электрические токи ускоряют сращивание переломов кости и, возможно, даже помогают бороться с остеопорозом[288]. Они способствуют более быстрому прорастанию в рану новых кровеносных сосудов и уже серьезно рассматриваются в качестве метода лечения глаз. Показано, что электрическая стимуляция эффективна и при пересадке кожи; по-видимому, она способствует приживлению новой ткани.
Но есть одна загвоздка: хотя результаты подобных экспериментов в целом оказались положительными, они не всегда воспроизводимы и предсказуемы. “Проблема в том, что метод не оптимизирован”, – прокомментировал Марк Мессерли из Университета Северной Дакоты, который занимается изучением биоэлектрических методов заживления ран. Мы не понимаем механизм, благодаря которому электричество ускоряет заживление ран, и поэтому не можем направленно усиливать (или даже стандартизовать) стимуляцию. И это усложняет жизнь врачам, которые могли бы использовать такой метод стимуляции для лечения своих пациентов. “Чтобы оптимизировать заживление ран, мы должны понять, как оно происходит”.
В 2006 году Мин Чжао значительно продвинулся в понимании этого вопроса, когда вместе с генетиком Джозефом Пеннингером предпринял первый контролируемый эксперимент по выявлению генов, включающихся под действием электрического поля[289]. Эта работа широко обсуждалась в прессе; она, наконец, перевела изучение электричества под легитимное крыло генетики. Это было одним из первых мощных и интересных доказательств эпигенетического значения электрома.
Дальше требовалось найти способ измерять реальные электрические поля в человеческих ранах. Современные электротерапевтические устройства подают электрический ток, но не позволяют понять, как он влияет на собственное биоэлектричество человека. Поэтому нужно было создать прибор, который смог бы показать, нарушены ли раневые токи. До последнего времени не существовало способа измерить электрическое поле в воздухе рядом с сухой кожей млекопитающего; подобные измерения проводились только в экспериментальных лабораторных условиях на влажной коже лягушек. В 2011 году Ричард Нучителли разработал устройство для измерений на человеческой коже, которое позволяет тщательно анализировать раневые токи. Этот “Дермакордер” чувствует напряжение на соседних участках кожи. Поднесите его к поверхности кожи, и он позволит построить карту напряжения и соотнести ее с глубиной раны[290]. Так можно создать трехмерную топографическую электрическую карту раны. “Это было первое устройство, которым врачи могли пользоваться на практике для обследования пациентов”, – комментирует Ражничек.
Эта возможность в значительной степени углубила наше понимание роли электричества в заживлении ран. Нучителли обнаружил явную зависимость между силой электрического поля вокруг раны и скоростью заживления: сила поля резко возрастает в момент повреждения, затем медленно снижается по мере затягивания раны, а по завершении процесса заживления уже не детектируется. Однако еще интереснее связь между силой электрического поля вокруг раны и заживляющей способностью у конкретного человека. У людей со слабым раневым током раны затягиваются медленнее, чем у тех, у кого этот ток “громче”. Но самое интересное заключается в том, что сила раневого тока снижается с возрастом: сигнал поля у людей старше шестидесяти пяти лет в два раза ниже, чем у людей в возрасте до двадцати пяти[291].
С появлением возможности проводить более качественные измерения появились и более качественные экспериментальные результаты. В 2015 году Нучителли и Кристина Пуллар воздействовали электричеством на раны своих пациентов и, создав карту раны с помощью “Дермакордера”, добились возникновения новых кровеносных сосудов и ускоренного заживления ран у всех больных.
Электрическое заживление
Судя по всему, количество данных об ускорении заживления ран достигло критической массы. В 2020 году агентство DARPA выделило Чжао и некоторым другим исследователям 16 миллионов долларов на разработку нового поколения систем для залечивания ран. Это уже не пластырь, каким мы заклеиваем рану, если порежемся, шинкуя овощи. Такой “бинт” предназначен для заживления серьезных травм и основан на биоэлектрическом воздействии одновременно на многие типы тканей – и ускорении восстановления всех этих тканей.
Первый прототип уже существует – прибор, способный поддерживать в клетках специфический градиент напряжения за счет контроля состояния разных ионных каналов[292]. Еще одно устройство представляет собой “электронную татуировку”: это электрическая цепь, которую наносят на эпителий с помощью электрических чернил[293]. Ее рисунок в трехмерном пространстве воспроизводит пути прохождения электрических токов при заживлении ткани. Такая повязка полезна и для наблюдений, и для диагностики, поскольку позволяет получить своеобразную топографическую карту живой ткани. Идея заключается в том, что ее можно использовать, как карты Google, чтобы отслеживать изменения параметров раневого тока в реальном времени. Кроме того, устройство с высокой точностью подает направленные электрические импульсы. Оно позволяет не просто подавать электрическое поле на всю область повреждения в надежде на лучшее, а прицельно направлять его именно туда, куда нужно.
Чжао считает, что тела всех людей обладают сходными картами электрической проводимости, подобно тому, как электропроводка в большинстве домов подчиняется общим стандартам. “Нельзя расположить электрическую розетку в произвольной точке на стене”. Ричард Боргенс намного опередил время, пытаясь применить открытия Лайонела Джеффа в области физиологических полей тела. В попытках ускорить процесс клинических испытаний он пытался перескочить через этапы, которые стало возможным реализовать только сейчас, когда мы начали лучше понимать роль биоэлектричества в заживлении ран и создали точные инструменты для его маппинга и измерения.
На самом деле, возможно, даже устройство для заживления ран не справилось бы с тем, что Боргенс хотел сделать с разорванными нейронами. Он намеревался контролировать отдельные клетки. Но волна новых исследований последнего десятилетия показала, что контроль на таком тонком уровне и не требуется: достаточно включать спящие контрольные системы тела, и они сделают это сами.
Если мы научимся включать и выключать правильные ионные каналы, мы сможем делать гораздо больше, чем залечивать раненую конечность. Мы сможем воссоздавать всю систему с нуля.