Μόλις αρχίζουμε να αποκρυπτογραφούμε αυτή την ασθενή οπτική «υπογραφή της ζωής» και τι μπορεί να αποκαλύψει για την υγεία, την ασθένεια και το μέλλον της ιατρικής.
Την πρώτη φορά που είδα ζωντανά κύτταρα να εκπέμπουν φως, κατάλαβα ότι έβλεπα τη βιολογία να εκφράζεται με έναν εντελώς διαφορετικό τρόπο. Όχι μέσω μορίων, γονιδίων ή δομών, αλλά μέσα από ένα αμυδρό φυσικό σήμα που μετέφερε άγνωστες πληροφορίες για την κατάσταση της ζωής.
Ως νέος ερευνητής που έμπαινα στη βιοφυσική, είχα έναν φιλόδοξο στόχο: να ανιχνεύσω ένα κρυφό πρότυπο επικοινωνίας στους ζωντανούς οργανισμούς, ικανό να διευρύνει την κατανόηση της βιολογίας και, ενδεχομένως, να τροφοδοτήσει νέες ιατρικές τεχνολογίες.
Ήμουν στο μεταπτυχιακό όταν μπήκα για πρώτη φορά σε έναν χώρο περιβαλλόμενο από έξι ίντσες χάλκινης θωράκισης, σε έναν θάλαμο Φάραντεϊ. Είχε κατασκευαστεί για να είναι όσο πιο σκοτεινός γίνεται. Μόλις έκλεισε η πόρτα, ο έξω κόσμος εξαφανίστηκε. Δεν έβλεπα τι υπήρχε μπροστά μου, ούτε καν τα χέρια μου.
Κάπου μέσα σε αυτό το σκοτάδι υπήρχε ένα τρυβλίο με ζωντανά κύτταρα καρκίνου του δέρματος. Δίπλα του, ένας φωτοπολλαπλασιαστής (photomultiplier tube), αρκετά ευαίσθητος ώστε να ανιχνεύει φως αδύνατο να δει το ανθρώπινο μάτι. Τέτοια όργανα καταγράφουν εξαιρετικά ασθενή φωτεινά σήματα, όπως εκείνα που μελετούν οι αστρονόμοι από μακρινούς αστέρες, εκατομμύρια έτη φωτός μακριά.
Ο στόχος μου ακουγόταν απλός, αλλά αποδείχθηκε τεχνικά απαιτητικός: να μετρήσω τα πρότυπα φωτός που εκπέμπουν ζωντανά κύτταρα και να δω αν αλλάζουν όταν τα κύτταρα είναι υγιή ή καρκινικά. Με άλλα λόγια, μπορούμε να δημιουργήσουμε μια οπτική υπογραφή του καρκίνου;
Σε τέτοια πειράματα, κάθε περιττό φωτόνιο μετρά. Ένα μικρό κενό γύρω από ένα καλώδιο, μια ρωγμή στην οροφή που «έχανε» φως από τον πάνω όροφο, ένα θερμό ηλεκτρονικό εξάρτημα ή ακόμη και ο ίδιος ο ανιχνευτής μπορούν να παράξουν σήματα ικανά να «πνίξουν» το φως των ζωντανών κυττάρων. Το μεγαλύτερο μέρος της δουλειάς δεν ήταν να βρω τα φωτόνια, αλλά να αποδείξω ότι προέρχονταν πράγματι από τη ζωή στο τρυβλίο και από πουθενά αλλού.
Ξεκίνησα τις μετρήσεις. Τότε εμφανίστηκε το σήμα.
Τα κύτταρα «αναβόσβηναν», απελευθερώνοντας μικρές εκλάμψεις φωτός. Όχι σαν τη λάμψη μιας πυγολαμπίδας και όχι κάτι ορατό μέσα στο δωμάτιο, αλλά μετρήσιμες αιχμές φωτεινής δραστηριότητας που κατέγραψε το όργανο. Όταν ανέλυσα τα δεδομένα, τα πρότυπα φωτός από καρκινικά και μη καρκινικά κύτταρα διέφεραν αρκετά ώστε να υποδηλώνουν κάτι εντυπωσιακό: οι ζωντικοί ιστοί ίσως φέρουν οπτικές πληροφορίες που μόλις τώρα μαθαίνουμε να διαβάζουμε.
Δεν έχω σταματήσει να το σκέφτομαι εδώ και πάνω από 11 χρόνια.
Πριν από το διδακτορικό μου, είχα εντρυφήσει στο πρώιμο έργο του Alexander Gurwitsch, του οποίου τα πειράματα σχεδόν έναν αιώνα πριν υπέδειξαν ότι ασθενές φως από μια ρίζα κρεμμυδιού μπορούσε να διεγείρει κυτταρική διαίρεση σε μια γειτονική, ανεξάρτητη ρίζα. Ο Gurwitsch το ονόμασε «μιτογενετική ακτινοβολία». Στις δεκαετίες που ακολούθησαν, μια μικρή αλλά επίμονη ομάδα επιστημόνων συνέχισε να ερευνά και να επιβεβαιώνει την ιδέα ότι τα ζωντανά κύτταρα πράγματι εκπέμπουν φως. Σήμερα, αυτές οι ασθενείς εκπομπές συζητούνται ως βιοφωτόνια ή υπερασθενείς εκπομπές φωτονίων και παραμένουν ένα από τα πιο συναρπαστικά και απαιτητικά ανοιχτά ερωτήματα της βιολογίας.
Το έργο αυτών των επιστημόνων μετέφερε το πεδίο από το «αν» τα ζωντανά κύτταρα εκπέμπουν φως στα πολύ δυσκολότερα ερωτήματα που θέτουμε σήμερα: Γιατί εκπέμπει φως η ζωή;
Είναι αυτά τα φωτόνια απλά παραπροϊόντα του μεταβολισμού, όπως η θερμότητα από έναν κινητήρα; Ή είναι χρήσιμα σήματα που αποκαλύπτουν στρες, γήρανση, ασθένεια ή επιδιόρθωση; Ή, σε ορισμένες περιπτώσεις, τα κύτταρα χρησιμοποιούν αυτές τις ασθενείς φωτεινές εκπομπές ως μέρος της μεταξύ τους επικοινωνίας;
Η έντιμη απάντηση είναι ότι ακόμη δεν γνωρίζουμε. Κι ακριβώς εκεί θέλω περισσότερο να συμβάλω.
Μπαίνουμε σε μια νέα εποχή βιολογικής ανακάλυψης.
Η έρευνα για τα βιοφωτόνια δεν είχε ποτέ ομαλή πορεία. Από τις πρώτες παρατηρήσεις του Gurwitsch, το πεδίο ξεκίνησε και σταμάτησε περισσότερες φορές απ’ όσες θα ήθελαν να θυμούνται οι περισσότεροι επιστήμονες. Κινήθηκε ανάμεσα σε κύκλους ενθουσιασμού και σκεπτικισμού, επιβραδύνθηκε από δύσκολες μετρήσεις, αμφιλεγόμενα ευρήματα και όργανα που συχνά δεν ήταν αρκετά ευαίσθητα για να λύσουν τα μεγάλα ερωτήματα. Αυτό, όμως, αλλάζει. Το μυστήριο του πώς παράγονται αυτά τα φωτόνια και τι μπορεί να κάνουν συγκεντρώνει ανανεωμένο ενδιαφέρον χάρη σε καλύτερους ανιχνευτές φωτονίων, πιο εξελιγμένες μεθόδους ανάλυσης σήματος και νέες διεπιστημονικές οπτικές από τη βιοφυσική, τη κβαντική βιολογία και τη νευροεπιστήμη. Όλα μαζί δίνουν νέα πνοή στο πεδίο.
Ως εξαιρετικά ασθενή σωματίδια φωτός που εκπέμπονται φυσικά από ζωντανά κύτταρα, τα βιοφωτόνια είναι φυσικά προϊόντα κανονικών χημικών αντιδράσεων, ιδίως εκείνων που αφορούν το οξυγόνο, τον μεταβολισμό και τα μιτοχόνδρια, τις μικροσκοπικές δομές που μετασχηματίζουν ενέργεια μέσα στα κύτταρά μας.
Δεν προέρχονται, όμως, όλες οι ασθενείς βιολογικές λάμψεις από την ίδια πηγή. Μια σημαντική πρόκληση είναι η διάκριση ανάμεσα στην ενδογενή παραγωγή βιοφωτονίων—όταν τα φωτόνια γεννιούνται μέσα στον οργανισμό—και την «καθυστερημένη φωταύγεια», όταν βιολογικό υλικό απορροφά εξωτερικό φως και επανεκπέμπει αργότερα μέρος αυτής της ενέργειας, όπως το φως που «απελευθερώνει» το δέρμα μετά την έκθεση στον ήλιο. Η διάκριση έχει σημασία, γιατί το βασικό ερώτημα είναι: τι είδους φως εκπέμπει η ζωή και υπό ποιες συνθήκες; Και, εξίσου σημαντικό: φέρουν αυτά τα φωτόνια κάποιο βιολογικό νόημα;
Σε αντίθεση με τη σχετικά έντονη λάμψη μιας πυγολαμπίδας, τα βιοφωτόνια είναι πολύ αδύναμα για να γίνουν αξιόπιστα αντιληπτά από το ανθρώπινο μάτι. Συχνά μετρώνται περίπου στα 10 έως 1.000 φωτόνια ανά δευτερόλεπτο ανά τετραγωνικό εκατοστό βιολογικού ιστού. Το μήκος κύματός τους συνήθως πέφτει από το εγγύς υπεριώδες έως το ορατό, περίπου 200 έως 800 νανόμετρα, και ενδιαφέρουν τους ερευνητές επειδή η ένταση και το φάσμα τους μπορεί να αλλάζουν με το στρες, τη γήρανση, την οξείδωση, την ανάπτυξη, την καρκινική κατάσταση και τη βλάβη των κυττάρων.
Καίριο σημείο: η εκπομπή βιοφωτονίων δεν είναι ιδιοτροπία της ανθρώπινης βιολογίας. Είναι ιδιότητα της ίδιας της ζωής, όχι χαρακτηριστικό ενός μόνο οργανισμού. Σε όλο το δέντρο της ζωής και σε κάθε κλίμακα, οι ζωντανοί οργανισμοί εκπέμπουν φως. Τα βακτήρια παράγουν μετρήσιμες εκπομπές φωτονίων συνδεδεμένες με τον μεταβολισμό τους. Τα φυτά δεν απορροφούν μόνο το ηλιακό φως για φωτοσύνθεση· εκπέμπουν και τα ίδια φως, με πρότυπα που αλλάζουν ανάλογα με τη φυσιολογική τους κατάσταση.
Ίσως πιο εντυπωσιακό είναι ότι, όταν ένα ζώο πεθαίνει, η εκπομπή βιοφωτονίων «σβήνει» μαζί του. Η λάμψη υποχωρεί καθώς ο μεταβολισμός κλείνει, κάτι που σημαίνει ότι αυτές οι εκπομπές συνδέονται ουσιαστικά με τις ενεργειακές διεργασίες που ορίζουν την ίδια τη ζωή. Τα βιοφωτόνια δεν είναι τεχνούργημα ούτε σύμπτωση. Είναι υπογραφή της ζωής σε κίνηση.
Μια υπογραφή, όμως, δεν είναι κατ’ ανάγκη μήνυμα.
Με την πρόοδο σε ανιχνευτές φωτός και αναλυτικές τεχνικές, έχουμε μερικές απαντήσεις για το τι είναι αυτά τα σήματα. Ακόμη, όμως, δεν κατανοούμε πλήρως τον λειτουργικό τους ρόλο στο σώμα.
Τα βιοφωτόνια δείχνουν σύνθετη συμπεριφορά.
Καθώς προχωρούσε η καριέρα μου, το εργαστήριό μου εστίασε στο αν αυτές οι ασθενείς εκπομπές μπορούν να μας βοηθήσουν να «διαβάσουμε» βιολογικές καταστάσεις που διαφορετικά είναι δύσκολο να ανιχνευθούν. Χρησιμοποιήσαμε τα βιοφωτόνια για να ελέγξουμε ανθρώπινα κύτταρα, ιστούς και ολόκληρα ζώα για υπογραφές καρκίνου. Μετρήσαμε επίσης υπερασθενές φως γύρω από το ανθρώπινο κεφάλι και διαπιστώσαμε ότι μπορεί να συσχετίζεται με ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου και γνωστικά έργα, όπως η προσοχή σε ήχους.
Αυτό δεν σημαίνει ότι ο εγκέφαλος «σκέφτεται με φως» με κάποιο απλό τρόπο. Υποδηλώνει μια σύνθετη συμπεριφορά που πρέπει να διερευνήσουμε προσεκτικά. Για μένα, αυτή είναι η πιο ενδιαφέρουσα προοπτική: οι ζωντανοί ιστοί ίσως διαθέτουν ένα οπτικό στρώμα πληροφορίας που αντανακλά την ενεργειακή και φυσιολογική τους κατάσταση.
Αν μάθουμε να το διαβάζουμε, η ιατρική θα μπορούσε να αποκτήσει ένα νέο είδος αισθητήρα για διάγνωση ή παρακολούθηση υγείας.
Φανταστείτε να καταγράφουμε πρώιμες μεταβολικές μεταβολές πριν γίνουν ορατές οι βλάβες στους ιστούς, να ανιχνεύουμε καρκινογόνες αλλαγές στο κυτταρικό περιβάλλον πριν η κλασική απεικόνιση αποκαλύψει όγκο ή να «διαβάζουμε» λεπτές εγκεφαλικές καταστάσεις όχι μόνο μέσω του ηλεκτρισμού, αλλά και μέσω ασθενούς φωτός που συνδέεται με νευρωνική δραστηριότητα και κατανάλωση ενέργειας.
Αυτό το μέλλον δεν είναι εδώ ακόμη. Τα σήματα είναι πολύ ασθενή και παραμένουν δύσκολα στη μέτρηση μέσα στο υγρό, θορυβώδες και περίπλοκο σύστημα που είναι το σώμα μας. Είναι επίσης ευάλωτα σε επιμολύνσεις από φως δωματίου, θερμότητα, θόρυβο οργάνων και βιολογική μεταβλητότητα. Η πρόοδος θα απαιτήσει καλύτερους αισθητήρες, αυστηρότερους ελέγχους, προσεκτική αναπαραγωγή αποτελεσμάτων και πειράματα που θα ξεχωρίζουν τη συσχέτιση από την αιτιότητα—αλλά προχωράμε.
Το πιο δύσκολο, αλλά και πιο συναρπαστικό ερώτημα, είναι αν αυτά τα ενδογενή βιοφωτόνια «κάνουν» ή «σημαίνουν» κάτι.
Κάποιοι ερευνητές υποστηρίζουν ότι τα βιοφωτόνια δεν είναι αποτέλεσμα ενεργού σηματοδότησης στα κύτταρα, αλλά απλά παραπροϊόντα του μεταβολισμού. Δηλαδή, ενώ μπορεί να προβλέπουν φυσιολογικές καταστάσεις, δεν τις προκαλούν. Ξέρουμε, για παράδειγμα, ότι το φως από τους εγκεφάλους γηρασμένων ποντικών «μετατοπίζεται» προς το μπλε άκρο του ορατού φάσματος, με μικρότερα και πιο ενεργητικά μήκη κύματος. Είναι αυτό αποκλειστικά δείκτης ενός γηρασμένου εγκεφάλου; Ή αυτές οι εκπομπές φωτός κάνουν τον εγκέφαλο να λειτουργεί διαφορετικά, όπως θα έκαναν τα χημικά;
Παραμένει ανοικτό ερώτημα.
Ακόμη κι αν τα βιοφωτόνια είναι παραπροϊόντα χημικών αντιδράσεων, μπορούν να λειτουργούν ως ουσιαστικά σήματα. Το βλέπουμε και στη χημική σηματοδότηση. Όταν τα κύτταρα παράγουν ενέργεια, διασπούν μόρια όπως η γλυκόζη μέσα από μια αλληλουχία αντιδράσεων που παράγει ATP, θερμότητα και ποικιλία μικρότερων μορίων. Κάποια από αυτά απλώς απομακρύνονται ή ανακυκλώνονται. Άλλα γίνονται σήματα που πληροφορούν το κύτταρο για τη μεταβολική του κατάσταση. Τα βιοφωτόνια μπορεί να ακολουθούν παρόμοια λογική σε ένα βιοφυσικό μοντέλο της ζωής: να ξεκινούν ως παραπροϊόντα της μεταβολικής ενέργειας, αλλά να καταλήγουν χρήσιμα φυσικά σήματα που γειτονικά κύτταρα μπορούν να ανιχνεύουν και να «διαβάζουν».
Το φως ίσως αλληλεπιδρά με το σώμα πολύ βαθύτερα απ’ όσο νομίζουμε.
Αυτό το ενδεχόμενο γίνεται πιο πειστικό αν θυμηθούμε ότι το φως ήδη αλληλεπιδρά με το σώμα μας πολύ πέρα από την όραση. Στην «φωτοβιοτροποποίηση», οι ερευνητές—και ολοένα περισσότερο οι κλινικοί—χρησιμοποιούν φως για να αλλάξουν τη φυσιολογία. Έχει διαπιστωθεί ότι υπεριώδη, υπέρυθρα και ορατά μήκη κύματος μπορούν να επηρεάσουν ανθρώπινους ιστούς από το δέρμα έως τον εγκέφαλο και ακόμη και τα οστά, με διαφορετικούς τρόπους. Το κόκκινο και το εγγύς υπέρυθρο φως, για παράδειγμα, μπορούν να επηρεάσουν τον κυτταρικό μεταβολισμό και έχουν μελετηθεί για τις επιδράσεις τους στη φλεγμονή, την επούλωση και τη λειτουργία του εγκεφάλου.
Αν το εξωτερικά εφαρμοζόμενο φως μπορεί να μεταβάλει τη βιολογία, είναι λογικό να ρωτήσουμε αν το φως που παράγεται φυσικά μέσα στους ιστούς μπορεί επίσης να έχει βιολογικές συνέπειες. Παραμένει ασαφές αν τα βιοφωτόνια των κυττάρων, που είναι συγκριτικά πολύ πιο αδύναμα από το φως που χρησιμοποιείται στη φωτοβιοτροποποίηση, θα μπορούσαν να έχουν παρόμοιες επιδράσεις σε γειτονικά κύτταρα. Ακόμη πιο αβέβαιη είναι η ιδέα ότι αυτά τα σήματα ρυθμίζονται ή οργανώνονται με σκοπό ή «καθοδηγητικό» τρόπο στην κλίμακα του κυττάρου.
Αυτό είναι το υπέρτατο ερώτημα. Αν τα κύτταρα επικοινωνούν μέσω κρυφών οπτικών δικτύων μέσα στους ιστούς μας, τότε η αποκωδικοποίηση αυτών των μηνυμάτων θα ξεκλειδώσει ένα πλούσιο υφαντό βιολογικών πληροφοριών και θα εμπνεύσει ένα νέο κύμα τεχνολογιών για την ανάγνωση και υποστήριξη της ανθρώπινης υγείας.
Για παράδειγμα, θα μπορούσαμε να παρακολουθούμε το οπτικό μικροπεριβάλλον των ιστών και να χαρτογραφούμε πρώιμα σημάδια προβλημάτων, συμπεριλαμβανομένων καρκινογενών αλλαγών στο μικροπεριβάλλον. Θα μπορούσαμε να εντοπίζουμε τη νόσο πριν γίνει ορατή με κλασικές μεθόδους—όταν ίσως είναι αργά για να προληφθεί η ταλαιπωρία.
Αυτό το ενδεχόμενο γίνεται ακόμη πιο ελκυστικό αν θυμηθούμε τι μπορεί να «κάνει» το φως. Μπορεί να ποικίλλει σε ένταση, μήκος κύματος, χρονισμό, πόλωση και κατεύθυνση—πολλαπλές φυσικές διαστάσεις μέσα από τις οποίες η πληροφορία θα μπορούσε, κατ’ αρχήν, να κωδικοποιηθεί και να αποκωδικοποιηθεί από τα κύτταρά μας. Αν οι ζωντανοί οργανισμοί παράγουν και ανταποκρίνονται σε αυτά τα πρότυπα με ρυθμισμένο τρόπο, τότε το οπτικό μικροπεριβάλλον των κυττάρων έχει σημασία.
