Představte si budoucnost, kde vám lékař může vstříknout gel do tkáně a gel vytvoří měkkou elektrodu vodivou proud. To pak může být použito k léčbě vašeho onemocnění nervového systému. Po chvíli se elektroda rozpustila a zmizela. Švédští vědci již gel vyvinuli a postupem času chtějí být schopni propojit elektroniku s biologickou tkání – například s mozkem.
Vodivost injektovatelného gelu je testována na mikrofabrikovaném obvodu. Obrazový kredit: Univerzita Thora Balkheda/Linköping
Elektronická medicína je oblast výzkumu, která přesně nezapadá do existujícího oboru.
"Právě teď mluvíte s fyzikem, chemikem a mnou, který má zkušenosti s biomedicínou." Spolupracujeme s materiálovými vědci a elektrotechniky na integraci znalostí z našich různých oborů. Aby to fungovalo, musíte rozumět mozku a musíte rozumět chemii a fyzice,“ říká Hanne Biesmans, doktorandka z Laboratoře organické elektroniky, LOE, na Linköping University.
Výzkum, na který odkazuje, se týká takzvané organické elektroniky, kterou lze propojit s živou tkání. Dlouhodobým cílem je umět léčit různá onemocnění nervového systému a mozku. Její kolega Tobias Abrahamsson je chemik.
„Interdisciplinární povaha našeho výzkumu, kde kombinujeme různé aspekty a oblasti znalostí, je velmi vzrušující. Dalo by se také říci, že mám osobnější motivaci, jelikož v mé rodině jsou nemoci, které postihují nervový systém,“ říká.
Překládá mezi biologií a elektronikou
Ale co je organická elektronika? A jak by se dal využít k léčbě dnes obtížně léčitelných nemocí – jako je epilepsie, deprese nebo Alzheimerova a Parkinsonova choroba?
„Komunikace v těle probíhá prostřednictvím mnoha malých molekul, jako jsou neurotransmitery a ionty. Neurální signalizace je například také vlna iontů, která dává vzniknout elektrickému impulsu. Chceme tedy něco, co dokáže vzít všechny tyto informace a fungovat jako překladač mezi ionty a elektrony,“ říká Xenofon Strakosas, odborný asistent se vzděláním ve fyzice.
V roce 2023 se jim podařilo spolu s dalšími výzkumníky z Linköping University, Lund University a University of Göteborg vypěstovat gelové elektrody v živé tkáni.
„Namísto použití kovů a jiných anorganických materiálů k vedení proudu lze elektroniku vytvořit pomocí různých materiálů založených na atomech uhlíku a vodíku – jinými slovy organických materiálech – které jsou vodivé. Ty jsou více kompatibilní s biologickými tkáněmi, a proto se lépe hodí k integraci například do těla,“ říká Tobias Abrahamsson.
Organické elektronické materiály jsou velmi užitečné pro vedení biologických signálů, protože mohou vést ionty stejně jako elektrony. Také jsou měkké, na rozdíl od kovů.
Elektrická stimulace mozku se již používá k léčbě některých onemocnění. Elektrody se implantují do mozku, například k léčbě Parkinsonovy choroby.
„Ale implantáty, které se dnes klinicky používají, jsou docela rudimentární; jsou založeny na tvrdých nebo tuhých materiálech, jako jsou kovy. A naše tělo je měkké. Existuje tedy tření, které by mohlo vést k zánětu a tvorbě jizevnaté tkáně. Naše materiály jsou měkčí a více kompatibilní s tělem,“ říká Hanne Biesmans.
Elektrody uvnitř rostlin
Již před nějakými deseti lety jejich kolegové z LOE ukázali, že dokážou přimět rostliny, aby nasávaly ve vodě rozpustnou látku, která uvnitř stonku rostliny vytvořila strukturu, která vede elektřinu. Druh elektrody, jinými slovy, uvnitř rostliny.
Dotyčná látka je takzvaný polymer – látka, která se skládá z mnoha malých podobných jednotek, které spolu mohou tvořit dlouhé řetězce prostřednictvím procesu zvaného polymerace. Tehdy se používaly růže a vědcům se podařilo prokázat, že vytvořili organické elektrody. Tím se otevřely dveře do nové oblasti výzkumu.
"Ale kousek chyběl." Nevěděli jsme, jak docílit toho, aby se polymery tvořily například uvnitř savců a v mozku. Pak jsme si ale uvědomili, že můžeme mít v gelu enzymy a použít látky tělu vlastní k nastartování polymerace,“ říká Xenofon Strakosas.
Tato myšlenka vedla k tomu, že vědci byli nyní schopni vstříknout mírně viskózní gelovitý roztok do tkáně. Při kontaktu s tělu vlastními látkami, jako je glukóza, se vlastnosti gelu mění. A švédští vědci jako první na světě uspěli s metodou používanou k aktivaci tvorby elektrod ve tkáni.
„Gel samopolymerizuje v tkáni a stává se elektricky vodivým. Necháme biologii, aby to udělala za nás,“ říká Xenofon Strakosas.
Zůstává také na místě, kam byl vstříknut. To je důležité, protože vědci chtějí mít možnost kontrolovat, kde v tkáni se gel nachází. Výzkumný tým prokázal, že takto mohou pěstovat elektrody v mozku zebřiček a kolem nervového systému pijavic. Nyní zkoumají, zda funguje i u myší.
K tomu, aby se léčba nemocí pomocí gelu stala realitou, je však ještě dlouhá cesta. Nejprve výzkumný tým prozkoumá, jak stabilní je gel uvnitř tkáně. Rozbije se to po chvíli a co se stane potom? Další důležitou otázkou je, jak lze vodivý gel propojit s elektronikou mimo tělo.
„Není to nejjednodušší věc, ale doufám, že postupem času bude možné tuto metodu použít k monitorování toho, co se děje uvnitř těla, až na buněčnou úroveň. Pak možná pochopíme více o tom, co spouští nebo vede k různým onemocněním v nervovém systému,“ říká Tobias Abrahamsson.
„Zbývá toho ještě hodně vyřešit, ale děláme pokroky,“ říká Xenofon Strakosas. Bylo by úžasné, kdybychom mohli nakonec použít elektrody ke čtení signálů uvnitř těla a použít je pro výzkum nebo ve zdravotnictví.“
Napsala Karin Söderlund Leifler
Zdroj: Univerzita Linköping
