الكهرباء الحيوية التنموية

بدأ البحث في مجال الكهرباء الحيوية التنموية في القرن الثامن عشر. وبلغت هذه الجهود ذروتها بعدة أعمال رائدة لتحفيز انقباضات العضلات باستخدام أوعية ليدن ، توجت بنشر دراسات كلاسيكية للويجي غالفاني عامي 1791 (De viribus electricitatis in motu musculari) و1794. اعتقد غالفاني في هذه الدراسات أنه كشف عن قدرة كامنة على توليد الكهرباء في الأنسجة الحية، أو ما يُعرف بـ"الكهرباء الحيوانية". أظهر أليساندرو فولتا أن ارتعاش عضلة ساق الضفدع ناتج عن مولد كهرباء ساكنة، وعن معادن مختلفة تخضع لتفاعلات كهروكيميائية أو تحفزها . وفي دراسة أجراها غالفاني عام 1794، أظهر ارتعاشًا دون وجود كهرباء معدنية، وذلك عن طريق لمس عضلة الساق بعصب وركي مقطوع منحرف ، مما أثبت بشكل قاطع وجود "الكهرباء الحيوانية". ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} اكتشف غالفاني، دون قصد، من خلال هذه التجارب والتجارب ذات الصلة، تيار الإصابة (تسرب الأيونات الناتج عن جهد الغشاء/الظهارة السليم) وجهد الإصابة (فرق الجهد بين الغشاء/الظهارة المصاب والسليم). وكان جهد الإصابة، في الواقع، هو المصدر الكهربائي وراء انقباض الساق، كما اتضح في القرن التالي. ^{[ 22 ] [ 23 ]} وقد وسّعت الأعمال اللاحقة هذا المجال ليشمل جميع الخلايا، من البكتيريا إلى خلايا الثدييات غير القابلة للاستثارة، متجاوزةً بذلك الأعصاب والعضلات.

استنادًا إلى الدراسات السابقة، ظهرت لمحات إضافية عن الكهرباء الحيوية التنموية مع اكتشاف التيارات والمجالات الكهربائية المرتبطة بالجروح في أربعينيات القرن التاسع عشر، عندما أبلغ عالم الفيزيولوجيا الكهربائية إميل دو بوا-ريموند عن أنشطة كهربائية على مستوى العيانية في الضفادع والأسماك والبشر. سجّل دو بوا-ريموند تيارات كهربائية دقيقة في الأنسجة الحية والكائنات الحية باستخدام جلفانومتر متطور آنذاك مصنوع من ملفات أسلاك نحاسية معزولة. وكشف عن الكهرباء سريعة التغير المرتبطة بانقباض العضلات وإثارة الأعصاب - أي كمونات الفعل . ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} كما أبلغ دو بوا-ريموند بالتفصيل عن كهرباء أقل تذبذبًا عند الجروح - تيار الإصابة وكمونها - التي أحدثها في نفسه. ^{[ 27 ] [ 28 ]}

بدأ العمل الجاد في مجال الكهرباء الحيوية التنموية في مطلع القرن العشرين. ^{[ 30 ]} درست إيدا هـ. هايد دور الكهرباء في نمو البيض. ^{[ 31 ]} درس تي إتش مورغان وآخرون الفيزيولوجيا الكهربائية لدودة الأرض. ^{[ 32 ]} درس أورين إي. فرازي تأثيرات الكهرباء على تجديد الأطراف في البرمائيات. ^{[ 33 ]} استكشف إي جيه لوند عملية التشكّل في النباتات المزهرة. ^{[ 34 ]} درست ليبي هايمان الحيوانات الفقارية واللافقارية. ^{[ 35 ] [ 36 ]}

في عشرينيات وثلاثينيات القرن العشرين، نشر إلمر ج. لوند ^{[ 37 ]} وهارولد ساكستون بور ^{[ 38 ]} العديد من الأبحاث حول دور الكهرباء في نمو الأجنة. ^{[ 29 ]} قاس لوند التيارات الكهربائية في عدد كبير من الأنظمة الحية النموذجية، وربطها بالتغيرات في أنماط التكوين. في المقابل، استخدم بور مقياس الفولتميتر لقياس تدرجات الجهد، وفحص الأنسجة الجنينية النامية والأورام في مجموعة متنوعة من الحيوانات والنباتات. وقد أثبت مارش وبيمز في أربعينيات وخمسينيات القرن العشرين أن تطبيق المجالات الكهربائية يُغير من تجدد الديدان المسطحة ، ^{[ 39 ] [ 40 ]} مما يحفز تكوين رؤوس أو ذيول في مواقع القطع، ويعكس قطبية الجسم الأساسية.

في سبعينيات القرن العشرين، أدى ابتكار وتطوير ليونيل جافي وريتشارد نوتشيتيلي للمسبار الاهتزازي، وهو أول جهاز للتحليل الكمي غير الجراحي لتيارات الأيونات الدقيقة خارج الخلية، إلى إعادة إحياء هذا المجال. ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]}

استكشف باحثون مثل جوزيف فانابل، وريتشارد بورغينز، وكين روبنسون، وكولين مكايغ أدوار الإشارات البيولوجية الكهربائية الداخلية في نمو الأطراف وتجديدها، وتكوين الأجنة، واستقطاب الأعضاء، والتئام الجروح . ^{[ 46 ] [ 47 ] [ 23 ] [ 48 ]}

درس سي دي كون دور جهد الراحة في تنظيم تمايز الخلايا وتكاثرها. ^{[ 49 ] [ 50 ]} وقد حددت دراسات لاحقة مناطق محددة من طيف جهد الراحة تتوافق مع حالات خلوية متميزة مثل السكون، والخلايا الجذعية، والسرطان، والخلايا المتمايزة نهائيًا. ^{[ 51 ]}

على الرغم من أن هذا العمل قد أنتج كمية كبيرة من البيانات الفيزيولوجية عالية الجودة، إلا أن هذا النهج البيوفيزيائي واسع النطاق قد حظي تاريخيًا بالأولوية مقارنةً بدراسة التدرجات الكيميائية الحيوية والشبكات الجينية في تعليم علم الأحياء، والتمويل، والشعبية العامة بين علماء الأحياء. ومن العوامل الرئيسية التي ساهمت في تخلف هذا المجال عن علم الوراثة الجزيئية والكيمياء الحيوية أن الكهرباء الحيوية ظاهرة حية بطبيعتها، ولا يمكن دراستها في عينات ثابتة. إن العمل مع الكهرباء الحيوية أكثر تعقيدًا من المناهج التقليدية لعلم الأحياء النمائي، سواء من الناحية المنهجية أو المفاهيمية، إذ يتطلب عادةً نهجًا متعدد التخصصات. ^{[ 15 ]}

تم عرض "بطارية بيولوجية" في أواخر عام 2025 في مشتل بلمونتي، التابع لجامعة فاغينينغين للبحوث، ضمن برنامجها الذي يوفر تجارب علمية تعليمية للشباب. في هذه الحالة، تم تحديد مسار باستخدام مصابيح LED صغيرة توفر توهجًا ليليًا منتشرًا يكفي لتحديد المسار دون الإضرار بالطبيعة. ^{[ 52 ]}

الكهرباء المستخدمة لتشغيل مصابيح LED هي في الأساس ضوء الشمس الذي يسقط على مواد نباتية حية خضراء تقوم بعملية التمثيل الضوئي . وتتطلب هذه العملية الماء من الأرض ( H2O ) وثاني أكسيد الكربون (CO2) من الهواء لإعادة ترتيب الهيدروجين والأكسجين إلى جزيئات كربوهيدرات ، مما يؤدي إلى إطلاق الأكسجين غير المرغوب فيه في الهواء.

لا يُستخدم سوى جزء من الطاقة الشمسية التي تجمعها المادة الخضراء في عملية التمثيل الضوئي، بينما يتم إطلاق جزء آخر من خلال الجذور إلى التربة، حيث تستخدمه البكتيريا لتخليق جزيئات وعناصر أساسية أخرى مثل النيتروجين التي تدعم حياة النبات.

لاستخلاص الكهرباء من ضوء الشمس، وُضعت أقطاب كربونية موصلة بالقرب من جذور الشجيرات لالتقاط الإلكترونات "الحرة" التي تنتجها البكتيريا. تعمل هذه الأقطاب كأقطاب سالبة، بينما توفر أقطاب كربونية أخرى موضوعة في الهواء التوصيلات الموجبة المقابلة. على الرغم من أن الطاقة المستخلصة من شجيرة واحدة ضئيلة للغاية، إلا أنه يمكن توصيل العديد منها على التوالي (كـ"بطارية" من "الخلايا") لتوفير طاقة كافية لتشغيل مصابيح LED دون الحاجة إلى خلايا كهروكيميائية تقليدية أو خلايا شمسية عادية .

تُعدّ تقنيات القياس المعيارية الذهبية لاستخلاص الأبعاد الكهربائية كميًا من العينات الحية، بدءًا من مستوى الخلية وصولًا إلى مستوى الكائن الحي، هي: القطب الكهربائي الزجاجي الدقيق (أو الماصة الدقيقة )، ومسبار الجهد المهتز (أو المرجعي الذاتي)، والقطب الكهربائي الدقيق الانتقائي للأيونات المهتز . يُعتبر الأول إجراءً جراحيًا بطبيعته، بينما يُعتبر الأخيران غير جراحيين، إلا أن جميعها تتميز بحساسية فائقة ^{[ 53 ]} وسرعة استجابة عالية، وتُستخدم على نطاق واسع في العديد من الحالات الفيزيولوجية ضمن نماذج بيولوجية شائعة الاستخدام. ^{[ 54 ] [ 55 ] [ 11 ] [ 56 ] [ 23 ]}

طُوِّر القطب الكهربائي الزجاجي الدقيق في أربعينيات القرن العشرين لدراسة جهد الفعل للخلايا القابلة للاستثارة، استنادًا إلى العمل الرائد الذي قام به هودجكين وهكسلي على حبار المحور العملاق . ^{[ 57 ] [ 58 ]} وهو عبارة عن جسر ملحي سائل يربط العينة البيولوجية بالقطب الكهربائي، ويحمي الأنسجة من السموم القابلة للتسرب وتفاعلات الأكسدة والاختزال التي تحدث على سطح القطب. وبفضل مقاومته المنخفضة، وجهد الوصلة المنخفض، واستقطابه الضعيف، تُعد الأقطاب الكهربائية الفضية محولات قياسية لتحويل التيار الأيوني إلى تيار كهربائي، والذي يحدث من خلال تفاعل أكسدة واختزال عكسي على سطح القطب. ^{[ 59 ]}

استُخدم المسبار المهتز في الدراسات البيولوجية في سبعينيات القرن الماضي. ^{[ 60 ] [ 61 ] [ 41 ]} يُطلى المسبار الحساس للجهد كهربائيًا بالبلاتين لتشكيل كرة سوداء ذات طرف سعوي ومساحة سطح كبيرة. عند اهتزازه في تدرج جهد مستمر اصطناعي أو طبيعي، تتذبذب الكرة السعوية بموجة جيبية متناوبة. يتناسب سعة الموجة طرديًا مع فرق الجهد المقاس عند تردد الاهتزاز، والذي يُرشح بكفاءة بواسطة مضخم متزامن يعزز حساسية المسبار. ^{[ 41 ] [ 62 ] [ 63 ]}

استُخدم القطب الكهربائي الدقيق الانتقائي للأيونات المهتز لأول مرة عام 1990 لقياس تدفقات الكالسيوم في مختلف الخلايا والأنسجة. ^{[ 64 ]} يُعدّ هذا القطب الكهربائي الدقيق الانتقائي للأيونات نسخةً مُعدّلة من القطب الكهربائي الدقيق الزجاجي، حيث يُملأ طرفه بمبادل أيوني سائل مُخصّص لأيون مُعيّن (حامل أيوني)، بعد معالجته مسبقًا بالسيليكون (لمنع التسرب). كما يهتز القطب الكهربائي الدقيق بترددات منخفضة ليعمل في وضع القياس الذاتي الدقيق. ينفذ الأيون المُعيّن فقط عبر الحامل الأيوني ، وبالتالي فإن قراءة الجهد تتناسب طرديًا مع تركيز الأيون في ظروف القياس. بعد ذلك، يُحسب التدفق باستخدام قانون فيك الأول . ^{[ 62 ] [ 65 ]}

قد تُصبح التقنيات البصرية الناشئة، ^{[ 66 ]} مثل قطب قياس الأس الهيدروجيني الضوئي (أو المسبار الضوئي )، الذي يُمكن دمجه في نظام مرجعي ذاتي، تقنية بديلة أو إضافية في مختبرات الكهرباء الحيوية. لا يتطلب المسبار الضوئي مرجعية وهو غير حساس للكهرومغناطيسية ^{[ 67 ]،} مما يُبسط إعداد النظام ويجعله خيارًا مناسبًا للتسجيلات التي يتم فيها تطبيق التحفيز الكهربائي في الوقت نفسه.

استُخدمت التيارات والمجالات الكهربائية الخارجية (المُطبقة) عبر أجهزة توصيل الجهد المستمر والمتردد المدمجة مع جسور ملحية من الأغاروز في العديد من الدراسات التي تناولت الإشارات الكهروضوئية الوظيفية. ^{[ 68 ]} تستطيع هذه الأجهزة توليد عدد لا يُحصى من تركيبات شدة الجهد واتجاهه، والنبضات، والترددات. حاليًا، يكتسب تطبيق المجالات الكهربائية باستخدام تقنية المختبر على رقاقة زخمًا متزايدًا في هذا المجال، مع إمكانية إجراء فحوصات عالية الإنتاجية للمخرجات التركيبية الكبيرة. ^{[ 69 ]}

أدى التقدم في علم الأحياء الجزيئي على مدى العقود الستة الماضية إلى إنتاج أدوات فعّالة تُسهّل تحليل الإشارات البيوكيميائية والوراثية؛ ومع ذلك، فإنها لا تُناسب عادةً الدراسات البيولوجية الكهربائية في الكائنات الحية . اعتمدت الدراسات السابقة بشكل كبير على التيار المُطبّق مباشرةً بواسطة الأقطاب الكهربائية، وهو ما تعزز بفضل التطورات الحديثة الهامة في علم المواد ^{[ 71 ] [ 72 ] [ 73 ] [ 74 ] [ 75 ] [ 76 ]} وقياسات التيار خارج الخلوي، التي سهّلتها أنظمة الأقطاب الكهربائية ذاتية المرجعية المتطورة. ^{[ 77 ] [ 78 ]} في حين أن تطبيقات الأقطاب الكهربائية للتلاعب بالعمليات الجسدية التي يتحكم بها الجهاز العصبي قد حظيت باهتمام كبير مؤخرًا، ^{[ 79 ] [ 80 ]} إلا أن هناك فرصًا أخرى للتحكم في العمليات الجسدية، حيث أن معظم أنواع الخلايا نشطة كهربائيًا وتستجيب للإشارات الأيونية من نفسها ومن الخلايا المجاورة لها.

في مطلع القرن الحادي والعشرين، طُوِّرت العديد من التقنيات الجزيئية الجديدة التي سمحت بدراسة المسارات الكهروضوئية بدرجة عالية من الدقة الآلية، وربطها بالتسلسلات الجزيئية المتعارف عليها. ^{[ 81 ]} وتشمل هذه التقنيات ما يلي:

1. الفحوصات الدوائية لتحديد القنوات والمضخات الداخلية المسؤولة عن أحداث التشكيل المحددة؛ ^{[ 82 ] [ 83 ] [ 84 ]}
2. أصباغ فلورية حساسة للجهد ومؤشرات جهد فلورية مشفرة جينياً لتوصيف الحالة البيولوجية الكهربائية في الجسم الحي. ^{[ 85 ] [ 86 ] [ 87 ] [ 88 ] [ 89 ]}
3. مجموعات من قنوات أيونية سائدة موصوفة جيدًا يمكن التعبير عنها بشكل خاطئ في الخلايا ذات الأهمية لتغيير الحالة البيولوجية الكهربائية بطرق مرغوبة؛ ^{[ 84 ] [ 90 ] [ 91 ]} و
4. المنصات الحاسوبية التي بدأت بالظهور ^{[ 92 ] [ 93 ]} للمساعدة في بناء نماذج تنبؤية للديناميكيات الكهروفيزيولوجية في الأنسجة. ^{[ 94 ] [ 95 ] [ 96 ]}

بالمقارنة مع التقنيات القائمة على الأقطاب الكهربائية، توفر المجسات الجزيئية دقة مكانية أوسع وتُسهّل التحليل الديناميكي بمرور الوقت. ورغم إمكانية المعايرة، فإن المجسات الجزيئية عادةً ما تكون شبه كمية، بينما توفر الأقطاب الكهربائية قيمًا بيولوجية كهربائية مطلقة. ومن المزايا الأخرى للفلورة وغيرها من المجسات طبيعتها الأقل توغلاً وتعدد الإرسال المكاني، مما يُمكّن من المراقبة المتزامنة لمساحات واسعة من الأنسجة الجنينية أو غيرها من الأنسجة الحية أثناء عمليات التشكيل الطبيعية أو المرضية. ^{[ 97 ]}

كشفت الدراسات التي أُجريت على نماذج حيوانية مثل الضفدع الأفريقي (Xenopus laevis) وسمك الزيبرا عن دور الإشارات الكهروضوئية في نمو القلب ^{[ 98 ] [ 99 ]} ، والوجه ^{[ 100 ] [ 101 ]} ، والعين ^{[ 90 ]} ، والدماغ ^{[ 102 ] [ 103 ]} ، وغيرها من الأعضاء. وقد حددت الدراسات دور قنوات الأيونات في التحكم بحجم تراكيب مثل زعنفة سمك الزيبرا ^{[ 104 ]،} بينما أظهرت دراسات التركيز على زيادة الوظيفة، على سبيل المثال، إمكانية إعادة تحديد أجزاء الجسم على مستوى العضو - كإنشاء عيون كاملة في الأديم الباطن للأمعاء ^{[ 90 ]} . وكما هو الحال في الدماغ، يمكن للإشارات الكهروضوئية التطورية دمج المعلومات عبر مسافات كبيرة في الجنين، على سبيل المثال، التحكم في حجم الدماغ من خلال الحالات الكهروضوئية للأنسجة البطنية ^{[ 103 ]} ، والتحكم في تكوّن الأورام في موقع التعبير عن الجينات الورمية من خلال الحالة الكهروضوئية للخلايا البعيدة. ^{[ 105 ] [ 106 ]}

تُظهر الاضطرابات البشرية، بالإضافة إلى العديد من الطفرات الجينية في الفئران، أن الإشارات الكهروفيزيولوجية مهمة لنمو الإنسان (الجدولان 1 و2). وترتبط هذه التأثيرات بشكل واسع النطاق باعتلالات القنوات الأيونية، وهي اضطرابات بشرية ناتجة عن طفرات تُعطّل هذه القنوات.

تُسبب العديد من اعتلالات القنوات الأيونية تشوهاتٍ مورفولوجية أو عيوبًا خلقية، بالإضافة إلى أعراضٍ تُؤثر على العضلات أو الخلايا العصبية. على سبيل المثال، تُسبب الطفرات التي تُعطل قناة البوتاسيوم المُقوِّمة للداخل Kir2.1 متلازمة أندرسن-تاويل (ATS) الموروثة بشكلٍ سائد . يُعاني مرضى ATS من شللٍ دوري ، واضطراباتٍ في نظم القلب ، وتشوهاتٍ مورفولوجية مُتعددة قد تشمل شق الحنك أو ارتفاع قوسه، وشق الشفة العليا أو رقتها، وتسطح الفلتروم ، وصغر الفك السفلي ، ونقص الأسنان ، ونقص تنسج المينا، وتأخر بزوغ الأسنان، وسوء الإطباق، وجبهة عريضة، وعيون متباعدة، وآذان منخفضة، والتصاق الأصابع ، وانحناء الأصابع ، وقصر الأصابع ، وكلى مُشوهة . ^{[ 107 ] [ 108 ]} الطفرات التي تُعطّل قناة ^{البوتاسيوم} الداخلية التقويمية Girk2، المشفرة بواسطة الجين KCNJ6، تُسبب متلازمة كيبن-لوبينسكي ، والتي تشمل صغر الرأس ، وضيق جسر الأنف، وارتفاع سقف الحنك، وضمور دهني عام حاد (فشل في تكوين النسيج الدهني). ^{[ 109 ]} يقع الجين KCNJ6 في المنطقة الحرجة لمتلازمة داون ، بحيث تؤدي التضاعفات التي تشمل هذه المنطقة إلى تشوهات في الجمجمة والوجه والأطراف، بينما لا تؤدي التضاعفات التي لا تشمل هذه المنطقة إلى ظهور أعراض مورفولوجية لمتلازمة داون. ^{[ 110 ] [ 111 ] [ 112 ] [ 113 ]} الطفرات في الجين KCNH1 ، وهو قناة بوتاسيوم مُعتمدة على الجهد، تُسبب متلازمة تمبل-بارايتسر (المعروفة أيضًا باسم زيمرمان-لاباند ). تشمل السمات الشائعة لمتلازمة تمبل-بارايتسر غياب أو نقص تنسج أظافر اليدين والقدمين والسلاميات ، وعدم استقرار المفاصل. أما التشوهات القحفية الوجهية المرتبطة بطفرات في جين KCNH1 فتشمل شق الحنك أو ارتفاع قوسه، وتباعد العينين، وتشوه الأذنين، وتشوه الأنف، وتضخم اللثة، وعدد غير طبيعي من الأسنان. ^{[ 114 ] [ 115 ] [ 116 ] [ 117 ] [ 118 ] [ 119 ] [ 120 ]}

تؤدي الطفرات في قناة CaV1.2 ، وهي قناة ^أيونية حساسة للجهد ، إلى متلازمة تيموثي ، التي تُسبب اضطرابًا حادًا في نظم القلب (فترة QT الطويلة) بالإضافة إلى التصاق الأصابع وعيوبًا قحفية وجهية مشابهة لتلك الموجودة في متلازمة أندرسن-تاويل ، بما في ذلك شق الحنك أو ارتفاعه، وصغر الفك السفلي، وانخفاض مستوى الأذنين، والتصاق الأصابع، وقصر الأصابع. ^{[ 121 ] [ 122 ]} على الرغم من ندرة هذه الاعتلالات في القنوات الأيونية، إلا أنها تُظهر أهمية القنوات الأيونية الوظيفية في النمو. علاوة على ذلك، فإن التعرض داخل الرحم لأدوية مضادة للصرع تستهدف بعض القنوات الأيونية يُسبب أيضًا زيادة في حدوث العيوب الخلقية مثل شق الفم. ^{[ 123 ] [ 124 ] [ 125 ] [ 126 ] [ 127 ]} تُسلط آثار كل من الخلل الجيني والخارجي في القنوات الأيونية الضوء على أهمية الإشارات الكهروفيزيولوجية في النمو.

يُعدّ أحد الأدوار الأكثر فهمًا للتدرجات الكهروكيميائية الحيوية هو دورها في الحقول الكهربائية الذاتية على مستوى الأنسجة، والتي تُستخدم أثناء التئام الجروح. ويُشكّل دراسة الحقول الكهربائية المرتبطة بالجروح تحديًا، نظرًا لضعف هذه الحقول وقلة تذبذبها، فضلًا عن عدم وجود استجابات بيولوجية فورية لها مقارنةً بنبضات الأعصاب وانقباض العضلات. وقد أثبت تطوير الأقطاب الكهربائية الدقيقة المهتزة والزجاجية أن الجروح تُنتج بالفعل، والأهم من ذلك، أنها تُحافظ على تيارات ومجالات كهربائية قابلة للقياس. ^{[ 41 ] [ 128 ] [ 61 ] [ 129 ] [ 130 ] [ 131 ]} تُتيح هذه التقنيات مزيدًا من التوصيف للحقول/التيارات الكهربائية في جروح القرنية والجلد، والتي تُظهر خصائص مكانية وزمنية نشطة، مما يُشير إلى تنظيم فعّال لهذه الظواهر الكهربائية. فعلى سبيل المثال، تكون التيارات الكهربائية في الجروح دائمًا في أقوى حالاتها عند حافة الجرح، وتزداد تدريجيًا لتصل إلى ذروتها بعد حوالي ساعة من الإصابة. ^{[ 132 ] [ 133 ] [ 63 ]} في جروح الحيوانات المصابة بداء السكري ، تتأثر المجالات الكهربائية للجروح بشكل كبير. ^{[ 134 ]} من المتوقع أن يكشف فهم آليات توليد وتنظيم التيارات/المجالات الكهربائية للجروح عن أساليب جديدة للتحكم في الجانب الكهربائي لتحسين التئام الجروح.

كيف تتولد المجالات الكهربائية عند الجرح؟ تقوم الخلايا الظهارية بضخ الأيونات وفصلها بشكل تفاضلي. ففي ظهارة القرنية، على سبيل المثال، تُنقل أيونات الصوديوم (Na ⁺⁾ والبوتاسيوم (K ^{+) من سائل الدموع إلى السائل خارج الخلوي، بينما تُنقل أيونات الكلوريد (Cl- )} من السائل خارج الخلوي إلى سائل الدموع. ترتبط الخلايا الظهارية بوصلات محكمة، مُشكلةً الحاجز الكهربائي المقاوم الرئيسي، وبالتالي تُنشئ تدرجًا كهربائيًا عبر الظهارة - وهو الجهد عبر الظهارة (TEP). ^{[ 135 ] [ 136 ]} يؤدي اختراق الحاجز الظهاري، كما يحدث في أي جرح، إلى إحداث ثقب يخترق المقاومة الكهربائية العالية التي تُنشئها الوصلات المحكمة في طبقة الظهارة، مما يُسبب قصرًا كهربائيًا موضعيًا في الظهارة. ولذلك، ينخفض ​​الجهد عبر الظهارة إلى الصفر عند الجرح. مع ذلك، يستمر النقل الأيوني الطبيعي في الخلايا الظهارية غير المصابة خارج حافة الجرح (عادةً أقل من 1  مم)، مما يدفع تدفق الشحنات الموجبة خارج الجرح ويُنشئ مجالًا كهربائيًا ثابتًا وموجهًا جانبيًا (EF) مع وجود المهبط عند الجرح. كما يُولّد الجلد مجالًا كهربائيًا ظهاريًا (TEP)، وعند حدوث جرح جلدي، تنشأ تيارات ومجالات كهربائية مماثلة، إلى أن تستعيد وظيفة الحاجز الظهاري وظيفتها لإنهاء الدائرة القصيرة عند الجرح. عند التلاعب بالمجالات الكهربائية للجروح باستخدام عوامل دوائية تُحفز أو تُثبط نقل الأيونات، تزداد أو تنقص المجالات الكهربائية للجروح تبعًا لذلك. ويمكن تسريع أو إبطاء التئام الجروح وفقًا لذلك في جروح القرنية. ^{[ 132 ] [ 133 ] [ 137 ]}

كيف تؤثر المجالات الكهربائية على التئام الجروح؟ لكي تلتئم الجروح، يجب أن تهاجر الخلايا المحيطة بالجرح وتنمو باتجاه الجرح لتغطية العيب واستعادة الحاجز. تستجيب الخلايا المهمة لالتئام الجروح بشكل ملحوظ للمجالات الكهربائية المطبقة بنفس قوة المجال الكهربائي المقاس عند الجروح. تتأثر جميع أنواع الخلايا واستجاباتها بعد الإصابة بالمجالات الكهربائية الفيزيولوجية. يشمل ذلك هجرة وانقسام الخلايا الظهارية، ونمو وامتداد الأعصاب، وهجرة الكريات البيضاء والخلايا البطانية. ^{[ 138 ] [ 139 ] [ 140 ] [ 141 ]} يُعدّ سلوك الهجرة الاتجاهية للخلايا الظهارية في المجالات الكهربائية - أو ما يُعرف بالانجذاب الكهربائي - السلوك الخلوي الأكثر دراسة . تهاجر الخلايا الظهارية باتجاه القطب السالب (الكاثود)، والذي يُمثل عند الجرح قطبية المجال الكهربائي المتجه الداخلي في الظهارة، مُشيرًا (من الموجب إلى السالب) إلى مركز الجرح. تُظهر الخلايا الظهارية للقرنية، والخلايا الكيراتينية للجلد، وأنواع أخرى كثيرة من الخلايا، هجرةً موجهةً عند شدة مجال كهربائي منخفضة تصل إلى بضعة ملي فولت لكل مليمتر ^. [ ^{142 ] [ 143 ] [ 144 ] [ 145 ] كما} تهاجر طبقات كبيرة من الخلايا الظهارية أحادية الطبقة ، وطبقات من الخلايا الظهارية متعددة الطبقات، بشكلٍ موجه. ^{[ 133 ] [ 146 ]} تشبه هذه الحركة الجماعية إلى حد كبير ما يحدث أثناء التئام الجروح في الجسم الحي، حيث تتحرك طبقات الخلايا بشكل جماعي إلى قاع الجرح لتغطيته واستعادة وظيفة الحاجز للجلد أو القرنية.

لا يزال فهم كيفية استشعار الخلايا لهذه الحقول الكهربائية الخارجية الدقيقة غامضًا إلى حد كبير. وقد بدأت الأبحاث الحديثة في تحديد بعض العناصر الجينية والإشاراتية والبنيوية التي تُفسر كيفية استشعار الخلايا للحقول الكهربائية الفيزيولوجية الصغيرة واستجابتها لها. وتشمل هذه العناصر قنوات الأيونات، ومسارات الإشارات داخل الخلايا، وجزر الدهون الغشائية، والرحلان الكهربائي لمكونات غشاء الخلية. ^{[ 147 ] [ 148 ] [ 149 ] [ 150 ] [ 151 ] [ 152 ] [ 153 ]}

في أوائل القرن العشرين، ربط ألبرت ماثيوز، بشكلٍ رائد، تجدد بوليب اللاسعات بالفرق في الجهد بين سطحي البوليب والساق ، وأثر على التجدد بتطبيق تيارات معاكسة. وسار أميديو هيرليتزكا على خطى معلمه دو بوا-ريموند في دراسة التيارات الكهربائية في الجروح، فوضع نظريةً مفادها أن التيارات الكهربائية تلعب دورًا مبكرًا في التجدد، وربما تحفز تكاثر الخلايا. ^{[ 154 ]} وباستخدام حقول كهربائية تتغلب على الحقول الداخلية، تمكن مارش وبيمز، بشكلٍ مذهل، من توليد ديدان بلاناريا مزدوجة الرأس، بل وعكسا قطبية الجسم الأساسية تمامًا، حيث نمت ذيول مكان الرأس. ^{[ 155 ]} بعد هذه الدراسات الأولية، انتشرت على مر العقود، وحتى يومنا هذا، أفكارٌ مختلفة حول فكرة أن الكهرباء الحيوية قد تستشعر الإصابة وتحفز التجدد، أو على الأقل تلعب دورًا رئيسيًا فيه. يكمن أحد التفسيرات المحتملة في كمونات الراحة (وخاصةً كمونات Vmem وTEP)، والتي يمكن أن تكون، جزئيًا على الأقل، بمثابة مستشعرات كامنة (إنذارات) جاهزة للكشف عن الضرر الموضعي، ومؤثرات (محفزات) جاهزة للاستجابة له. ^{[ 128 ] [ 156 ] [ 157 ] [ 12 ]}

بعد النجاح النسبي للتحفيز الكهربائي في تجديد أرجل الضفادع غير القابلة للنمو باستخدام قضيب ثنائي المعدن مزروع في أواخر الستينيات، ^{[ 158 ]} خضع الجانب الكهروحيوي خارج الخلوي لتجديد أطراف البرمائيات لدراسة مستفيضة في العقود التالية. وقد أتاح تطوير المسبار الاهتزازي فائق الحساسية وأجهزة التطبيق المحسّنة الحصول على بيانات فسيولوجية وصفية ووظيفية دقيقة. ^{[ 41 ] [ 159 ]} يؤدي البتر حتمًا إلى تيار خارجي مدفوع بالجلد، وما يتبعه من مجال كهربائي جانبي يضع المهبط عند موضع الجرح. وعلى الرغم من أنه في البداية مجرد تسرب أيوني، إلا أنه ينشأ مكون نشط في النهاية، وعادةً ما يؤدي حجب ناقلات الأيونات إلى إعاقة التجديد. وباستخدام تيارات ومجالات كهربائية خارجية تحاكي الطبيعة، تم تحقيق تجديد جزئي، والذي شمل عادةً نمو الأنسجة وزيادة الأنسجة العصبية. وعلى العكس من ذلك، فإن منع أو عكس التيار والمجالات الكهربائية الداخلية يعيق التجديد. ^{[ 61 ] [ 160 ] [ 159 ] [ 161 ]} أدت هذه الدراسات حول تجديد أطراف البرمائيات، والدراسات ذات الصلة في الجلكيات والثدييات ^{[ 162 ]} ، بالإضافة إلى دراسات التئام كسور العظام [163] [164] والدراسات المختبرية [ ^{133 ] ، إلى قاعدة عامة} مفادها أن ^{الخلايا المهاجرة (} مثل الخلايا الكيراتينية، وكريات الدم البيضاء، والخلايا البطانية) والخلايا النامية (مثل المحاور العصبية) التي تساهم في التجديد، تخضع لانجذاب كهربائي نحو المهبط (موقع الإصابة الأصلي). وبالمثل، يرتبط المصعد بامتصاص الأنسجة أو تنكسها، كما يحدث في حالات ضعف التجديد وامتصاص العظام بواسطة الخلايا الآكلة للعظم. ^{[ 163 ] [ 161 ] [ 165 ]} على الرغم من هذه الجهود، لا يزال الأمل في تحقيق تجديد شامل في الثدييات يمثل تحديًا رئيسيًا للجهود المستقبلية، والتي تشمل استخدام المفاعلات الحيوية القابلة للارتداء لتوفير بيئة يمكن من خلالها تحفيز الحالات الكهروضوئية المحفزة للتجديد ^{[ 166 ] [ 167 ]} ومواصلة الجهود المبذولة في مجال التحفيز الكهربائي. ^{[ 168 ]}

أظهرت دراسات جزيئية حديثة أهمية تدفق البروتونات والصوديوم في تجديد ذيل يرقات الضفدع الأفريقي (Xenopus ) ^{[ 12 ] [ 169 ] [ 170 ]} ، كما بينت أن تجديد الذيل بأكمله (بما في ذلك الحبل الشوكي والعضلات وغيرها) يمكن تحفيزه في مجموعة من الحالات غير التجديدية عادةً، وذلك باستخدام طرق جزيئية وراثية ^{[ 171 ]} ، أو دوائية ^{[ 172 ]} ، أو بصرية وراثية ^{[ 173 ]} . وفي ديدان البلاناريا ، كشفت الدراسات التي تناولت الآلية الكهروبيولوجية عن التحكم في سلوك الخلايا الجذعية ^{[ 174 ]} ، والتحكم في الحجم أثناء إعادة التشكيل ^{[ 175 ]} ، والقطبية الأمامية الخلفية ^{[ 176 ]} ، وشكل الرأس ^{[ 70 ] [ 177 ]} . ويؤدي تغيير الإشارات الفيزيولوجية بوساطة الوصلات الفجوية إلى ظهور ديدان برأسين في دودة دوجيسيا جابونيكا (Dugesia japonica). ومن اللافت للنظر أن هذه الحيوانات تستمر في التجدد برأسين في جولات التجدد اللاحقة بعد أشهر من زوال عامل حجب الوصلات الفجوية من الأنسجة. ^{[ 178 ] [ 179 ] [ 180 ]} يُعد هذا التغيير المستقر طويل الأمد في البنية التشريحية التي تتجدد إليها الحيوانات، دون تعديل جيني، مثالًا على الوراثة فوق الجينية لنمط الجسم، وهو أيضًا السلالة الوحيدة المتاحة من أنواع الديدان المسطحة التي تُظهر تغييرًا تشريحيًا موروثًا يختلف عن النمط البري. ^{[ 181 ]}

يؤدي انحراف الخلايا عن التنسيق الدقيق لنشاطها الطبيعي نحو بنية تشريحية إلى الإصابة بالسرطان؛ لذا فليس من المستغرب أن تكون الكهرباء الحيوية - وهي آلية رئيسية لتنسيق نمو الخلايا وتشكيلها - هدفًا يُشتبه في تورطه في السرطان وانتشاره. ^{[ 182 ] [ 183 ]} ​​في الواقع، من المعروف منذ زمن طويل أن للوصلات الفجوية دورًا رئيسيًا في التسرطن وتطوره. ^{[ 184 ] [ 185 ] [ 186 ]} يمكن للقنوات أن تتصرف كجينات ورمية، وبالتالي فهي مناسبة كأهداف دوائية جديدة. ^{[ 3 ] [ 94 ] [ 184 ] [ 187 ] [ 188 ] [ 189 ] [ 190 ] [ 191 ] [ 192 ] [ 193 ]} أظهرت دراسات حديثة على نماذج البرمائيات أن إزالة استقطاب جهد الراحة يمكن أن يحفز السلوك النقيلي في الخلايا الطبيعية، ^{[ 194 ] [ 195 ]} بينما يمكن لفرط الاستقطاب (الناجم عن خلل في التعبير عن قنوات الأيونات، أو الأدوية، أو الضوء) أن يثبط تكوين الأورام الناجم عن التعبير عن الجينات الورمية البشرية. ^{[ 196 ]} ويبدو أن إزالة استقطاب جهد الراحة بمثابة بصمة بيولوجية كهربائية يمكن من خلالها الكشف عن مواقع الأورام الناشئة بطريقة غير جراحية. ^{[ 197 ]} ويُعد تحسين البصمة البيولوجية الكهربائية للسرطان في السياقات الطبية الحيوية، كطريقة تشخيصية، أحد التطبيقات المحتملة لهذا المجال. ^{[ 182 ]} ومن المثير للاهتمام أن ازدواجية القطبية - إزالة الاستقطاب كعلامة وفرط الاستقطاب كعلاج - تجعل من الممكن نظرياً اشتقاق مناهج تشخيصية علاجية (مزيج من العلاجات والتشخيص)، مصممة للكشف عن الأورام المبكرة وعلاجها في آن واحد، وفي هذه الحالة بناءً على تطبيع استقطاب الغشاء. ^{[ 196 ]}

أظهرت تجارب حديثة باستخدام أدوية فتح/حجب قنوات الأيونات، بالإضافة إلى التعبير غير الطبيعي السائد لقنوات الأيونات، في مجموعة من الكائنات النموذجية، أن الكهرباء الحيوية، وتحديدًا تدرجات الجهد، لا توجه سلوك الخلايا الجذعية فحسب ^{[ 198 ] [ 199 ] [ 200 ] [ 201 ] [ 202 ] [ 203 ]} ، بل توجه أيضًا عملية التشكيل واسعة النطاق. ^{[ 29 ] [ 204 ] [ 205 ]} غالبًا ما تتوسط إشارات التشكيل تدرجات مكانية لجهود راحة الخلية، أو Vmem، والتي يمكن تحويلها إلى سلسلة من الرسائل الثانوية وتغيرات في النسخ الجيني عبر عدد قليل من الآليات المعروفة. تُحدد هذه الجهود بوظيفة قنوات ومضخات الأيونات، وتتشكل بواسطة وصلات الفجوات التي تُنشئ حجيرات النمو (حقول الخلايا متساوية الجهد). ^{[ 206 ]} نظرًا لأن كلًا من الوصلات الفجوية والقنوات الأيونية حساسة للجهد، فإن مجموعات الخلايا تُشكل دوائر كهربائية ذات قدرات تغذية راجعة غنية. تمثل مخرجات الديناميكيات البيولوجية الكهربائية التطورية في الكائنات الحية قرارات تشكيل واسعة النطاق، مثل عدد الرؤوس في الديدان المسطحة، ^{[ 180 ]} وشكل الوجه في نمو الضفادع، ^{[ 100 ]} وحجم الذيول في أسماك الزيبرا. ^{[ 104 ]} وقد مكّن التعديل التجريبي للأنماط البيولوجية الكهربائية الداخلية من تحويل مناطق الجسم (مثل الأمعاء) إلى عين كاملة، ^{[ 90 ]} وتحفيز تجديد الزوائد مثل ذيول الشرغوف في سياقات غير تجديدية، ^{[ 173 ] [ 172 ] [ 171 ]} وتحويل أشكال رؤوس الديدان المسطحة ومحتوياتها إلى أنماط مناسبة لأنواع أخرى من الديدان المسطحة، على الرغم من وجود جينوم طبيعي. ^{[ 177 ]} أظهرت الدراسات الحديثة استخدام بيئات النمذجة الفيزيولوجية لتحديد التدخلات التنبؤية التي تستهدف الحالات البيولوجية الكهربائية لإصلاح عيوب الدماغ الجنينية في ظل مجموعة من التشوهات الخلقية الناتجة عن عوامل وراثية ودوائية. ^{[ 91 ] [ 102 ]}