皮肤和器官内衬细胞在受伤时能产生电能——这可能为治疗伤口开辟新途径

你的细胞不断生成并传导通过身体执行各种功能所需的电能。生物电的一个例子是大脑中的神经信号，这些信号驱动思维。其他例子包括控制心脏跳动的心脏信号，以及告诉肌肉收缩的信号。

作为生物工程师，我们对构成人类皮肤和人体微生物群落组织外层的上皮细胞产生了兴趣。这些细胞并不被认为能够生成生物电。教科书上说它们主要作用是作为抵御病原体和毒素的屏障；上皮细胞被认为像塑料包装保护食物一样被动地完成其任务。

然而，令我们惊讶的是，我们发现受伤的上皮细胞可以在数十个细胞之间传播持续数小时的电信号。在这项最新发表的研究中，我们能够证明即使上皮细胞在紧急情况下也会使用生物电与邻近细胞协调。理解这种意料之外的身体运作方式可能会带来改进的伤口治疗方法。

发现新的生物电源

不要笑：我们的兴趣始于一种直觉。想想你的皮肤在划伤后如何自我修复。上皮细胞看起来安静而平静，但它们正忙于与彼此协调，挤出受损细胞并用新细胞替换它们。我们认为生物电信号可能在其中起作用，因此我们的直觉告诉我们去寻找它们。

几乎所有我们联系的供应商都警告我们不要尝试这个实验。只有一家公司勉强同意。“你们的实验不会成功，”他们坚持说。如果我们进行实验却找不到值得研究的东西，他们会担心这会让他们的产品显得不好。

但我们还是进行了实验——结果令人兴奋。

我们在一个微电极阵列芯片上培养了一层上皮细胞——这是一种带有几十根细小电线的设备，可以测量生物电信号出现的位置、强度以及它们从一个点到另一个点的传播速度。然后，我们用激光在一个位置制造了一个伤口，并在细胞层的不同部位搜索电信号。

几小时的记录证实了我们的直觉：当面临快速修复自身的紧急需求时，上皮细胞会生成生物电信号，以实现远距离快速通信。

我们发现，受伤的上皮细胞可以向相邻细胞发送生物电信号，覆盖的距离超过其自身长度的40倍，电压类似于神经元。这些电压尖峰的形状也类似于神经元，只是慢了大约1000倍，表明它们可能是远距离细胞间通信的一种更原始的形式。

生物发电机的动力来源

但是上皮细胞是如何生成生物电的呢？

我们假设钙离子可能起着关键作用。任何好的生物学教科书中，钙离子都被列为帮助细胞功能的主要分子之一。由于钙离子调节细胞收缩力，这是清除损伤细胞所必需的功能，我们假设钙离子对于生物电是至关重要的。

为了验证我们的理论，我们使用了一种称为EDTA的分子，它能紧密结合钙离子。当我们向上皮细胞中添加EDTA并去除钙离子时，我们发现电压尖峰不再存在。这意味着钙离子可能是上皮细胞生成指导伤口愈合的生物电信号所必需的。

然后，我们阻断了允许钙离子和其他正离子进入上皮细胞的离子通道。结果，上皮细胞产生的电信号的频率和强度降低。这些发现表明，虽然钙离子可能在上皮细胞生成生物电方面起着特别关键的作用，但其他分子也可能重要。

进一步的研究可以帮助确定那些使上皮细胞生成生物电的其他离子通道和途径。

改善伤口愈合

我们的发现表明，上皮细胞在危机时刻能够发出电讯号，而不影响其作为屏障的主要作用，这为治疗伤口打开了新的大门。

之前其他研究人员的工作已经证明，通过电刺激皮肤和微生物群落组织可以增强伤口愈合。但这些研究使用的电频比我们发现的上皮细胞自然产生的电频高得多。我们想知道重新评估和优化电刺激条件是否有助于改进用于伤口愈合的生物医学设备。

再往长远看，我们想知道单个细胞的电刺激是否能提供更大的愈合潜力。目前，研究人员一直在通过电刺激整个组织来治疗损伤。如果我们可以将这些电信号引导到需要治疗的地方，那么单个细胞的电刺激是否会更有效地治疗伤口？

我们的希望是，这些发现能够成为一个经典的由好奇心驱动的科学案例，最终带来有用的发现。虽然我们的梦想可能有很高的失败风险，但它也提供了潜在的巨大回报。

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