Biological Application of Electric Field: Development and Prospects
生物电场医学发展现状与前景
Huixi Li, Guiting Lin, Tom F Lue
林桂庭, 李辉喜,吕福泰
Department of Urology, School of Medicine, University of California at San Francisco
美国加州大学旧金山分校医学院泌尿外科
In recent years, the study of biomechanics has gained widespread attention in the world. Phillip A Sharp from the Massachusetts Institute of Technology strongly facilitated the development of biological electric field. 
During the meeting of the American Scientific Sessions on February 17, 2014, this has been defined as the “Third Life Sciences Revolution”. Convergence of physics, engineering, and life science will change our 
world, while electric filed and Low energy extracorporeal shock wave as a mechanical biomechanics is a successful case since the early 1990s, but the basic mechanisms for this technology is not fully understood.
 This also limits its clinical application.
    近年来,以能量为标记的机械生物力学对生命现象的影响受到世界科学界的广泛重视, 尤其是来自美国麻省理工学院以Phillip A Sharp 为首的一批科学家在强力倡导,催动该领域的发展。 2014 年2月17日召开的美国科学年
会, 明确该领域的发展将成为生命科学的第三次革命,并发表了一份白皮书。提出生命科学、物理学、工程学的融合将会改变我们的世界。低能量体外冲击波作为机械生物力学的一个成功案例,自90年代初在临床上应用,但是
关于该技术的诸多基础理论并没有完全探明,其临床应用受到一定限制。
 
As we all know, Einstein's mass-energy equation E = mc2 (E represents energy, m for mass, and c is the speed of light) discloses that the substance is energy, energy is fluctuation.Therefore, you cannot simply 
regard life as "objects”, it’s also a kind of "energy". An energy medicine means collecting information, and then makes the diagnosis and treatment based on the view of energy. Studies have shown that energy
 medicine is the inevitable trend of the development of health industry, because the cells that consisting human body is so affected by energy. Therefore, a main task of energy medicine is how to quickly promote
 cell viability using energy. With the use of cutting-edge technology, natural energy can be efficiently serviced to human health without side effects like in drug use. Compared to common medicine that can only make diagnose relatively late, energy medicine can
 make early detection of human illness. Use of micro energy medicine in diagnosis and healing process can reduce the harm to the minimum. Micro-energy medicine will be the third treatment besides drug
 treatment and surgery. Micro-energy medicine can be used for disease treatment, prevention, sub-health management. And with the idea of ​​establishing a new medicine, we are now transforming from "medical treatment", "preventive medicine", "Rehabilitation Medicine" to "micro energy medicine". Obviously, micro energy medicine will facilitate people's
 understanding of the nature of disease.
众所周知， 爱因斯坦的质能方程式E=mc2（其中：E表示能量，m代表质量，而c则表示光速常量。）揭示了物质就是能量，能量就是波动。因此，不能简单地将生命体以“物”视之，而应该从“能量”的角度出发，检测、采集生
命体信息，进而诊断，加以调理施治、预防保健，这便是能量医学。研究表明，能量医学是未来大健康产业发展的必然趋势， 因为生命体是由最基本的细胞构成，能量强则细胞活跃，生命体自然充满活力；能量低则细胞活力
衰减，发病机率增加。因此，能量医学的主要任务，就是如何快速启动人体的细胞活力，从而达到健康的目的。其运用高科技的尖端技术，使这种高效自然能量服务于人类的生命健康，不但能摒除药物日积月累的副作用，更
能迅速与生命体本身的生物能相呼应，提高生命体的免疫力和自愈力。相比于普通医学只能在症状出现后才能诊断；微能量医学只要捕捉到人体内能量磁场的微弱变化，就能够在症状出现之前，超早期发现人体异常状况。并
且微能量医学在诊断和疗愈的过程中，将其对人体的损害降低到最小。利用微能量医学治疗必将是继药物治疗和手术治疗后的另一类治疗领域。它不仅可治疗明确的疾病，还可能将治疗前移，做到预防、亚健康治疗，这将是
健康事业的革命性进展。而且随着新医学理念的确立，医学必将由“治疗医学”、“预防医学”、“康复医学”向强化人体免疫系统的“微能量医学”演进。很明显，微能量医学深化了人们对自然和人身的认识，深化了人们对于疾病和治
疗手段的认识，方兴未艾，其越来越广泛的应用必将引领现代医学蓬勃发展至一个全新的科技时代，也必将成为大健康产业发展的主轴。
 
Development of life sciences is always accompanied by the development of engineering. On the one hand, with the in-depth exploration of the life sciences, we need more engineering equipment, like the analysis of big data, you need a faster computer; on the other hand, the development of engineering also needs more advanced life
 science knowledge, like the development of medical equipment, we should always find the maximum therapeutic effect and limit damage. Bio-electric field in medical research is a major branch in energy medicine.
生命科学的发展，总是伴随着工程学的发展。一方面，随着对生命科学的深入探索，我们需要更加优良的工程学设备，就像对基因组大数据的分析，需要运算更快的计算机；另一方面，工程学的发展，也需要更加先进的生命科
学知识，就像医疗器械的开发，总是要发挥最大的治疗效果而尽量避免对正常人体组织的损伤。多学科的发展、交融总是会对人类科学的发展产生巨大的推动力，而融合医学也是未来医学发展的方向之一。生物电场医学是微能
量医学的一个主要分支和研究重点。
 
 
 
1. Biological electric field
1. 生物电场学
Electric field (EF) is a substance ubiquitous existed in nature. Recent studies on Biological Electric field (BEF) have gained extensive attention. As the major branch of third life sciences revolution, it will promote the 
understanding of medical theory and applications. Endogenous biological electric field and its regulation, as well as the impact on endogenous bioelectric field by exogenous electric field are hot spots.
    电场（Electric field, EF）是自然界中无处不在的一种物质，近年来关于生物电场（Biological Electric field, BEF）的研究得到世界科学和医学的广泛重视。 其作为第三次生命科学革命的主要分支， 其全面深入的研究， 必将推
动目前医学理论和应用的飞跃。尤其是机体内源性生物电场的研究和调控， 以及外源性电场对内源性生物电场的影响， 是目前的研究热点。
 
Electric field is a special material around the space of electric charge and changed magnetic field. This is different from the common materials as it is not composed of molecules. But electric field objectively exists with the
 general property of power and energy. The nature of the electric field is: electric field has force on electric charges; this force is called the electric force. The nature of the electric field of energy is as follows: when the electric
 charge is moving in an electric field, the electric force will provide energy on the charge. In human body, we have a variety of charged ions, small molecules, and molecular structures; we also have many bioelectric
 phenomena, such as ECG, EEG, EMG; at the same time, the human body is an electrical conductor. Electric field used for medical applications can be divided into electrostatic field and alternating electric field. Electrostatic
 field is the electric field that does not change with time. An alternating electric field is the electric field that constantly changes over time.
电场（Electric field）: 电场是电荷及变化磁场周围空间里存在的一种特殊物质。电场这种物质与通常的实物不同，它不是由分子原子所组成，但它是客观存在的，电场具有通常物质所具有的力和能量等客观属性。电场的力的性质表
现为：电场对放入其中的电荷有作用力，这种力称为电场力。电场的能的性质表现为：当电荷在电场中移动时，电场力对电荷做功（这说明电场具有能量） 电场不仅对放入其中的电荷有力的作用，而且对放入其中的导电体存在静电
感应现象。人体内存在多种带电的离子、小分子、和大分子结构；人体内存在多种生物电现象，如心电、脑电、肌电；同时，人体也是导电体。就本质上来说，医学应用中的电场可以分为静电场和交变电场。静电场是不随时间变化
的电场。交变电场是电场强度不断随时间改变的电场。
 
Studies have shown that the electric field may affect cell mitosis, apoptosis, and cell behavior. Electric field has been applied in many different medical fields. In cancer treatment, researchers found that an alternating electric
 field (1-2 V / cm, 100-200 kHz) can affect a variety of tumors, such field is known as Tumor treating fields (TTFields). High voltage alternating electric field is also used for the autonomic nervous system dysfunction, soft tissue
 and bone and joint diseases.
研究表明， 电场可能影响细胞的有丝分裂、细胞凋亡，以及细胞的行为学特征。电场在医学中的应用已经渗透到了多个方面。在肿瘤治疗领域，研究人员发现，一定范围的交变电场（1-2 V/cm，100-200 kHz）对多种肿瘤具有良好的
治疗作用，此类电场也被称为肿瘤治疗电场（Tumor treating fields，TTFields）。高压交变电场也多用于自主神经功能紊乱、软组织及骨关节疾病等。
 
Numerous studies found that electric field, including the exogenous and endogenous, could affect DNA synthesis, RNA transcription, intracellular chemical synthesis, distribution and secretion, such as ion flow and hormone
 (Figure 1) ; intervention of neurotransmitters and growth factor; and cancer development and prognosis.
大量细胞水平的研究发现， 电场， 包括外源性和内源性， 对细胞DNA合成和RNA转录有调控作用， 影响细胞内化学物质的合成，分布和分泌，如离子流  和激素 ； 对神经递质和生长因子的交互作用干预； 而且对癌细胞的发
生发展和转归也有重要作用。
 
Figure 1 Effect of electric field on intracellular ion stream
图1  电场对细胞内离子流的影响
 
In addition to cellular level studying, the animal and human studies have demonstrated the biological effects in the following five categories:
除了细胞水平的研究，整个动物和人体实验研究了也证明了以下五大类生物学效应：
 
1) The general effect, such as cognition, learning, behavior, as well as the regulation of human emotions; 
一般效应，如动物认知， 学习，检测，避免和行为的影响， 以及对人情绪的调控;
2) The effect of physical parameters of the human body, such as growth and body weight, respiration, heart rate, and temperature rhythm;
影响机体的物理参数，例如生长和体重，呼吸，心跳率，和温度节律;
3) The impact of synthesis, storage, secretion of specific biochemical substance, such as hormones; general physical and mental functioning control; response to environmental pressures; growth and development; trigger of 
special function, such as sexual function, as well as the fetus and newborn nutrition; 
影响特定的生物化学物质合成储存， 分泌， 如激素；对一般生理和心理功能的控制; 为应对环境的压力; 增长和发展; 并且可触发特殊反应，如性功能，以及胎儿和新生儿营养;
4) The impact of circadian rhythms; 
影响动物和人类的昼夜节律;
5) The impact of cancer, particularly leukemia and brain cancer. 
对癌症的影响，特别是白血病和脑癌的流行病学。
 
2. Biological Mechanism
生物学效用机理
2.1 Thermal effects
热效应
Transmission of energy will change the temperature of the transmission medium. This is because part of mechanical energy is converted into heat. Thermal effects of ultrasound have been extensively studied. The thermal effect
 is also used in heat-sensitive local delivery of the drug. 
微能量作为能量的传播方式，会改变传播介质的温度。这是由于在传播过程中部分机械能转化为热能所致。超声波的热效应已被广泛研究。当然热效应也被用于热敏感药物的局部释放。
2.2 Mechanical effects (structural biology and biochemistry) 
机械效应（结构生物学与生物化学）
From a macro view, micro-energy acting on the body, organs, tissues and cells will produce positive pressure and parallel vertical shear. From the micro view, these energies will act on the cell structure. Micro energy may be
 captured by extracellular matrix, membrane, cytoskeleton, the genetic material or specific chemical groups. 
从宏观结构看，微能量作用于机体，都会对器官、组织和细胞产生垂直的正压力和平行的剪切力。而从微观结构来看，这些能量也会作用在更细微的细胞结构上。微能量可能为细胞外基质捕获，被细胞膜捕获，被细胞骨架捕获，被遗传
物质捕获，或是被特定的化学基团捕获。
2.3 Electromagnetic effects
电磁效应
Study by He et al found that electromagnetic fields can activate Na and Ca ion channels [1]. This may further activate second messengers and ultimately affect gene transcription [2]. In fact, numerous studies show that the
 electromagnetic waves is associated with activation of intracellular signaling pathways that are often associated with the combination with the transport of ions. The calcium ions play an important role in cellular function.
 Markov and others showed that PEMF can promote the combination of calcium and calmodulin [3]. binding of calcium and calmodulin triggers downstream signaling pathways including the synthesis of NO which plays an
 important role in tissue repair. Here, the role played by the electromagnetic waves similar to the first messenger [2]. Furthermore, cells that participate in tissue repair are typically charged (non-electrically neutral), mechanical forces provided by the electromagnetic waves may promote migration of cells into the injured area [4]. Electromagnetic waves has been shown have  stronger effect on non-electrically neutral organs. In fact, because the healthy tissue have a strong ability to maintain homeostasis, they are often electrically neutral; and injured tissue tends to exhibit non-neutral, it is possible to respond stronger to electromagnetic waves [3]. How electromagnetic wave can be identified and captured by cell and ultimately transformed into different biological signals to produce different effects
 in different tissues is still an open question. 
He等人的研究发现，电磁场可以激活Na离子和Ca离子通道[1]。这可能进一步激活第二信使并最终影响基因转录[2]。事实上，大量研究表明电磁波与相关细胞内信号通路的激活往往与离子的结合与运输相关。而钙离子在其中发挥重
要的作用。例如Markov等人的体外研究表明PEMF可以促进钙离子与钙调蛋白的结合[3]。钙离子与钙调蛋白结合触发的包括NO合成的下游信号通路，在组织损伤修复中发挥重要作用。在这里，电磁波发挥的作用类似于第一信使[2]。
此外，因为参与组织损伤修复的细胞通常是带电的（非电中性的），电磁波作用于带电细胞产生的机械力可能促进相关细胞向损伤区域的迁移[4]。电磁波已被证明对非电中性的组织有更强的作用。事实上，健康组织因为有强大的维
持稳态的能力，所以往往呈现电中性；而病态组织往往呈现非电中性，所以可以对电磁波产生更强的反应[3]。电磁如何被不同的细胞识别并捕获，并最终转变为不同的生物学信号，在不同的组织产生不同的效应还没有明确的研究。
 
3. Transformation of micro-energy signals into the biological signals
微能量信号转化向生物学信号的转化及其机理
Based on previous studies, signaling pathways activated by micro-energy include: Ca- calmodulin -NOS-NO pathway [2, 5, 6], NF-kappa B signaling pathway [7], ATP-MAPK signaling pathway [8 , 9], VEGF signaling pathways [10-12], extracellular matrix - integrins - cytoskeleton [13-15]. These pathways are mainly related to cell proliferation, migration, and energy metabolism. But we can find that the activation of metabolic pathways is still a superficial
 phenomenon. Micro-energy as a physical medium with the first messenger function needs further study. A possible mechanism may be related to the  charged particles within the cell. The particles in the energy field exhibit 
behavioral changes and this may further activate the downstream pathway. 
综合之前的研究， 微能量治疗激活的信号通路主要包括：Ca-钙调素-NOS-NO通路[2, 5, 6]，NF-kappa B信号通路[7]，ATP-MAPK信号通路[8, 9]，VEGF信号通路[10-12]，细胞外基质-整合素与细胞骨架[13-15]。这些通路主要涉及细胞的
增殖、迁移以及能量代谢。但是我们可以发现，代谢通路的激活仍然属于一种现象，微能量作为物理媒介行驶了第一信使的功能，这其中需要更深入的研究。一个可能的突破口是细胞内的带电粒子，这些粒子在能量场中表现出的行为学变
化可能进一步激活了下游的通路。
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