Ímyndaðu þér framtíð þar sem læknirinn getur sprautað hlaupi í vefinn þinn og hlaupið myndar mjúkt straumleiðandi rafskaut. Þetta er síðan hægt að nota til að meðhöndla taugakerfissjúkdóminn þinn. Eftir smá stund hefur rafskautið leyst upp og horfið. Sænskir vísindamenn hafa þegar þróað hlaupið og vilja með tímanum geta tengt rafeindatækni við líffræðilegan vef – eins og heilann.
Leiðni sprautuhlaupsins er prófuð á örframleiddri hringrás. Myndinneign: Thor Balkhed/Linköping University
Rafeindalækningar eru rannsóknarsvið sem passar ekki vel inn í núverandi svið.
„Núna ertu að tala við eðlisfræðing, efnafræðing og mig, sem hefur bakgrunn í líflæknisfræði. Við vinnum saman ásamt efnisfræðingum og rafmagnsverkfræðingum til að samþætta þekkingu frá ólíkum sviðum okkar. Til þess að þetta virki þarftu að skilja heilann og þú þarft að skilja efnafræði og eðlisfræði,“ segir Hanne Biesmans, doktorsnemi við Laboratory of Organic Electronics, LOE, við Linköping háskólann.
Rannsóknin sem hún vísar til snýst um svokallaða lífræna rafeindatækni sem hægt er að tengja við lifandi vef. Langtímamarkmiðið er að geta meðhöndlað ýmsa taugakerfis- og heilasjúkdóma. Samstarfsmaður hennar Tobias Abrahamsson er efnafræðingur.
„Þverfaglegt eðli rannsókna okkar, þar sem við sameinum ólíka þætti og þekkingarsvið, er mjög spennandi. Það má líka segja að ég sé með persónulegri hvata, þar sem í fjölskyldunni minni eru sjúkdómar sem hafa áhrif á taugakerfið,“ segir hann.
Þýðir á milli líffræði og rafeindatækni
En hvað er lífræn rafeindatækni? Og hvernig væri hægt að nota það til að meðhöndla sjúkdóma – eins og flogaveiki, þunglyndi eða Alzheimer og Parkinsons – sem erfitt er að meðhöndla nú á dögum?
„Í líkamanum fara samskipti fram í gegnum fullt af litlum sameindum, eins og taugaboðefnum og jónum. Taugaboð eru til dæmis líka jónabylgja sem gefur af sér rafboð. Þannig að við viljum eitthvað sem getur tekið allar þessar upplýsingar og virkað sem þýðandi á milli jóna og rafeinda,“ segir Xenofon Strakosas, lektor með bakgrunn í eðlisfræði.
Árið 2023 tókst þeim, ásamt öðrum vísindamönnum við Háskólann í Linköping, Háskólanum í Lundi og Háskólanum í Gautaborg, að rækta gel rafskaut í lifandi vef.
„Í stað þess að nota málma og önnur ólífræn efni til að leiða straum er hægt að búa til rafeindatækni með mismunandi efnum sem byggjast á kolefnis- og vetnisatómum – með öðrum orðum lífrænum efnum – sem eru leiðandi. Þetta samrýmist betur líffræðilegum vefjum og hentar því betur til að sameinast td líkamanum,“ segir Tobias Abrahamsson.
Lífrænu rafeindaefnin eru mjög gagnleg til að leiða líffræðileg merki þar sem þau geta leitt jónir jafnt sem rafeindir. Einnig eru þeir mjúkir, ólíkt málmum.
Rafmagnsheilaörvun er þegar notuð til að meðhöndla suma sjúkdóma. Rafskaut eru grædd í heilann, til dæmis til að meðhöndla Parkinsonsveiki.
„En ígræðslan sem notuð eru klínískt í dag eru frekar frumleg; þau eru byggð á hörðum eða stífum efnum eins og málmum. Og líkaminn okkar er mjúkur. Svo það er núningur, sem gæti leitt til bólgu og myndunar örvefs. Efnin okkar eru mýkri og samhæfast líkamann betur,“ segir Hanne Biesmans.
Rafskaut inni í plöntum
Strax fyrir um tíu árum sýndu samstarfsmenn þeirra hjá LOE að þeir gætu látið plöntur soga upp vatnsleysanlegt efni, sem inni í stofni plöntunnar myndaði mannvirki sem leiðir rafmagn. Eins konar rafskaut, með öðrum orðum, inni í plöntu.
Efnið sem um ræðir er svokölluð fjölliða – efni sem samanstendur af mörgum litlum svipuðum einingum sem saman geta myndað langar keðjur með ferli sem kallast fjölliðun. Í það skiptið voru notaðar rósir og gátu rannsakendur sýnt fram á að þeir hefðu búið til lífræn rafskaut. Þetta opnaði dyrnar að nýju rannsóknarsviði.
„En eitt stykki vantaði. Við vissum ekki hvernig á að láta fjölliðurnar myndast inni í spendýrum og til dæmis í heilanum. En svo komumst við að því að við gætum haft ensím í hlaupinu og notað eigin efni líkamans til að hefja fjölliðun,“ segir Xenofon Strakosas.
Hugmyndin leiddi til þess að rannsakendur gætu nú sprautað mildu seigfljótandi hlauplíku lausninni inn í vefinn. Þegar það kemst í snertingu við eigin efni líkamans, eins og glúkósa, breytast eiginleikar hlaupsins. Og sænsku vísindamennirnir voru þeir fyrstu í heiminum til að ná árangri með aðferðina sem notuð var til að virkja myndun rafskauta í vefnum.
„Gelið fjölliðar sjálft í vefnum og verður rafleiðandi. Við látum líffræðina gera það fyrir okkur,“ segir Xenofon Strakosas.
Einnig er það áfram á þeim stað þar sem það var sprautað. Þetta er mikilvægt vegna þess að rannsakendur vilja geta stjórnað hvar í vefnum hlaupið er staðsett. Rannsóknarhópurinn hefur sýnt fram á að þeir geta ræktað rafskaut í heila sebrafiska og í kringum taugakerfi blóðsuga með þessum hætti. Þeir eru nú að kanna hvort það virki líka í músum.
En það er langt í land með að meðhöndla sjúkdóma með gelinu verður að veruleika. Í fyrsta lagi mun rannsóknarhópurinn kanna hversu stöðugt hlaupið er inni í vefnum. Brotnar það eftir smá stund og hvað gerist þá? Önnur mikilvæg spurning er hvernig hægt er að tengja leiðandi hlaup við rafeindatækni utan líkamans.
„Þetta er ekki það auðveldasta en ég vona að með tímanum sé hægt að nota aðferðina til að fylgjast með því sem gerist inni í líkamanum, niður á frumustig. Þá getum við kannski skilið meira um hvað veldur eða leiðir til mismunandi sjúkdóma í taugakerfinu,“ segir Tobias Abrahamsson.
„Það er margt eftir að leysa, en við erum að taka framförum,“ segir Xenofon Strakosas. Það væri frábært ef við gætum á endanum notað rafskautin til að lesa merki inni í líkamanum og notað þau til rannsókna eða í heilbrigðisþjónustu.“
Handrit Karin Söderlund Leifler
Heimild: Linköping University
