Onderzoekers kweken elektroden in de hersenen

Met de injecteerbare gel konden de onderzoekers elektroden kweken in levend weefsel. Hier wordt het getest op een microgefabriceerd circuit.

“Al tientallen jaren proberen we elektronica te maken die de biologie nabootst. Nu laten we de biologie de elektronica voor ons maken”, zegt professor Magnus Berggren van het Laboratory for Organic Electronics, LOE, aan de Universiteit van Linköping.

Het koppelen van elektronica aan biologisch weefsel is belangrijk om complexe biologische functies te begrijpen, ziektes in de hersenen te bestrijden en toekomstige interfaces tussen mens en machine te ontwikkelen. Conventionele bio-elektronica, parallel met de halfgeleiderindustrie ontwikkeld, heeft echter een vast en statisch ontwerp dat moeilijk, zo niet onmogelijk te combineren is met levende biologische signaalsystemen.

Om deze kloof tussen biologie en technologie te overbruggen, hebben onderzoekers een methode ontwikkeld om zachte, substraatvrije, elektronisch geleidende materialen in levend weefsel te creëren. Door een gel te injecteren die enzymen bevat als de “assemblagemoleculen”, waren de onderzoekers in staat om elektroden te kweken in het weefsel van zebravissen en medicinale bloedzuigers.

“Contact met de lichaamseigen stoffen verandert de structuur van de gel en zorgt ervoor dat deze elektrisch geleidend wordt, wat vóór injectie niet het geval was. Afhankelijk van het weefsel kunnen we ook de samenstelling van de gel aanpassen om het elektrische proces op gang te brengen”, zegt Xenofon Strakosas van de Universiteit van Lund en een van de hoofdauteurs van de studie.

De endogene moleculen van het lichaam zijn voldoende om de vorming van elektroden op gang te brengen. Er is geen behoefte aan genetische modificatie of externe signalen, zoals licht of elektrische energie, wat in eerdere experimenten wel nodig was. De Zweedse onderzoekers slagen daar als eersten ter wereld in.
Hun studie maakt de weg vrij voor een nieuw paradigma in de bio-elektronica. Waar voorheen geïmplanteerde fysieke objecten nodig waren om elektronische processen in het lichaam op gang te brengen, zal in de toekomst het injecteren van een stroperige gel voldoende zijn.

Volledig geïntegreerd
In hun studie laten de onderzoekers verder zien dat de methode het elektronisch geleidende materiaal kan richten op specifieke biologische substructuren en daardoor geschikte interfaces kan creëren voor zenuwstimulatie. Op de lange termijn is de fabricage van volledig geïntegreerde elektronische schakelingen in levende organismen mogelijk.

In experimenten slaagde het team erin elektroden te vormen in de hersenen, het hart en de staartvinnen van zebravissen en rond het zenuwweefsel van medicinale bloedzuigers. De dieren werden niet geschaad door de geïnjecteerde gel en werden verder niet beïnvloed door de elektrodevorming. Een van de vele uitdagingen in deze proeven was om rekening te houden met het immuunsysteem van de dieren.

“Door slimme veranderingen in de chemie aan te brengen, konden we elektroden ontwikkelen die werden geaccepteerd door het hersenweefsel en het immuunsysteem. De zebravis is een uitstekend model voor de studie van organische elektroden in hersenen”, zegt professor Roger Olsson van de medische faculteit van de universiteit van Lund.

Professor Roger Olsson nam het initiatief voor het onderzoek, nadat hij in 2015 had gelezen over de elektronische roos die onderzoekers van de Universiteit van Linköping ontwikkelden. Een onderzoeksprobleem, en een belangrijk verschil tussen planten en dieren, was het verschil in celstructuur. Terwijl planten stijve celwanden hebben die de vorming van elektroden mogelijk maken, zijn dierlijke cellen meer een zachte massa. Het creëren van een gel met voldoende structuur en de juiste combinatie van stoffen om in zo’n omgeving elektroden te vormen, was een uitdaging die vele jaren in beslag nam.

“Onze resultaten openen volledig nieuwe manieren van denken over biologie en elektronica. We hebben nog een aantal problemen op te lossen, maar deze studie is een goed startpunt voor toekomstig onderzoek”, zegt Hanne Biesmans, promovendus bij LOE en een van de hoofdauteurs.