Predstavljajte si prihodnost, v kateri lahko vaš zdravnik vbrizga gel v vaše tkivo in gel tvori mehko elektrodo, ki prevaja tok. To lahko nato uporabite za zdravljenje bolezni živčnega sistema. Čez nekaj časa se je elektroda raztopila in izginila. Švedski raziskovalci so že razvili gel in čez čas želijo elektroniko povezati z biološkim tkivom – kot so možgani.
Prevodnost gela za injiciranje se testira na mikroizdelanem vezju. Avtor slike: Thor Balkhed/Univerza Linköping
Elektronska medicina je področje raziskav, ki se ne ujema dobro z obstoječim področjem.
»Trenutno se pogovarjate s fizikom, kemikom in mano, ki ima izkušnje z biomedicino. Sodelujemo z znanstveniki iz materialov in inženirji elektrotehnike, da integriramo znanje z naših različnih področij. Da bi to delovalo, morate razumeti možgane ter razumeti morate kemijo in fiziko,« pravi Hanne Biesmans, doktorska študentka v Laboratoriju za organsko elektroniko, LOE, na univerzi Linköping.
Raziskava, na katero se sklicuje, govori o tako imenovani organski elektroniki, ki jo je mogoče povezati z živim tkivom. Dolgoročni cilj je zdravljenje različnih bolezni živčnega sistema in možganov. Njen kolega Tobias Abrahamsson je kemik.
»Interdisciplinarnost našega raziskovanja, kjer združujemo različne vidike in področja znanja, je zelo vznemirljiva. Lahko bi rekli tudi, da imam bolj osebno motivacijo, saj so v moji družini bolezni, ki prizadenejo živčni sistem,« pravi.
Prevaja med biologijo in elektroniko
Toda kaj je organska elektronika? In kako bi ga lahko uporabili za zdravljenje bolezni – kot so epilepsija, depresija ali Alzheimerjeva in Parkinsonova bolezen –, ki jih je danes težko zdraviti?
»V telesu komunikacija poteka prek številnih majhnih molekul, kot so nevrotransmiterji in ioni. Nevronska signalizacija je na primer tudi valovanje ionov, ki povzroči električni impulz. Zato želimo nekaj, kar lahko sprejme vse te informacije in deluje kot prevajalec med ioni in elektroni,« pravi Xenofon Strakosas, docent s fizičnim ozadjem.
Leta 2023 jim je skupaj z drugimi raziskovalci na Univerzi Linköping, Univerzi Lund in Univerzi v Göteborgu uspelo vzgojiti gelske elektrode v živem tkivu.
»Namesto uporabe kovin in drugih anorganskih materialov za prevajanje toka lahko elektroniko ustvarimo z uporabo različnih materialov, ki temeljijo na ogljikovih in vodikovih atomih – z drugimi besedami, organskih materialov – ki so prevodni. Te so bolj združljive z biološkimi tkivi in zato bolj primerne za integracijo, na primer s telesom,« pravi Tobias Abrahamsson.
Organski elektronski materiali so zelo uporabni za prevajanje bioloških signalov, saj lahko prevajajo ione in tudi elektrone. Poleg tega so mehki, za razliko od kovin.
Električna možganska stimulacija se že uporablja za zdravljenje nekaterih bolezni. Elektrode se vsadijo v možgane, na primer za zdravljenje Parkinsonove bolezni.
»Toda vsadki, ki se danes uporabljajo v klinični praksi, so precej osnovni; temeljijo na trdih ali togih materialih, kot so kovine. In naše telo je mehko. Torej pride do trenja, ki lahko povzroči vnetje in nastanek brazgotin. Naši materiali so mehkejši in bolj združljivi s telesom,« pravi Hanne Biesmans.
Elektrode v rastlinah
Že pred kakšnimi desetimi leti so njihovi kolegi na LOE pokazali, da lahko pripravijo rastline do posrkanja vodotopne snovi, ki znotraj stebla rastline tvori strukturo, ki prevaja elektriko. Nekakšna elektroda, z drugimi besedami, znotraj rastline.
Zadevna snov je tako imenovani polimer – snov, ki je sestavljena iz številnih majhnih podobnih enot, ki lahko skupaj tvorijo dolge verige s postopkom, imenovanim polimerizacija. Takrat so uporabili vrtnice in raziskovalci so lahko pokazali, da so ustvarili organske elektrode. To je odprlo vrata novemu področju raziskovanja.
»Toda delček je manjkal. Nismo vedeli, kako narediti, da se polimeri oblikujejo znotraj sesalcev in na primer v možganih. Potem pa smo spoznali, da bi lahko imeli encime v gelu in uporabili telesu lastne snovi za začetek polimerizacije,« pravi Xenofon Strakosas.
Zamisel je privedla do tega, da lahko raziskovalci zdaj v tkivo vbrizgajo rahlo viskozno gelu podobno raztopino. Ko pride v stik s telesu lastnimi snovmi, kot je glukoza, se lastnosti gela spremenijo. In švedski raziskovalci so prvi na svetu uspeli z metodo aktiviranja tvorbe elektrod v tkivu.
»Gel se v tkivu samopolimerizira in postane električno prevoden. Pustili smo biologiji, da to naredi namesto nas,« pravi Xenofon Strakosas.
Prav tako ostane na mestu, kjer je bilo vbrizgano. To je pomembno, ker želijo raziskovalci imeti možnost nadzora, kje v tkivu se nahaja gel. Raziskovalna skupina je pokazala, da lahko na ta način vzgojijo elektrode v možganih cebric in okoli živčnega sistema pijavk. Zdaj preiskujejo, ali deluje tudi pri miših.
Toda preden bo zdravljenje bolezni z gelom postalo resničnost, je še dolga pot. Najprej bo raziskovalna skupina raziskala, kako stabilen je gel v tkivu. Ali se čez nekaj časa pokvari in kaj se zgodi potem? Drugo pomembno vprašanje je, kako lahko prevodni gel povežemo z elektroniko zunaj telesa.
»To ni najlažja stvar, a upam, da bo sčasoma mogoče metodo uporabiti za spremljanje dogajanja v telesu, vse do celične ravni. Potem bomo morda lahko razumeli več o tem, kaj sproži ali vodi do različnih bolezni v živčnem sistemu,« pravi Tobias Abrahamsson.
"Veliko je še za rešiti, a napredujemo," pravi Xenofon Strakosas. Bilo bi super, če bi sčasoma lahko uporabili elektrode za branje signalov v telesu in jih uporabili za raziskave ali v zdravstvu.«
Napisala Karin Söderlund Leifler
