Stel je een toekomst voor waarin je arts een gel in je weefsel kan injecteren en de gel een zachte, stroomgeleidende elektrode vormt. Dit kan vervolgens worden gebruikt om ziekten van het zenuwstelsel te behandelen. Na een tijdje loste de elektrode op en verdween. Zweedse onderzoekers hebben de gel al ontwikkeld en willen op termijn de elektronica kunnen verbinden met biologisch weefsel, zoals de hersenen.
De geleidbaarheid van de injecteerbare gel wordt getest in een microgefabriceerd circuit. Afbeelding tegoed: Thor Balkhed/Linköping Universiteit
Elektronische geneeskunde is een onderzoeksgebied dat niet netjes in een bestaand vakgebied past.
“Op dit moment praat je met een natuurkundige, een scheikundige en ik, die ervaring hebben in de biogeneeskunde. We werken samen met materiaalwetenschappers en elektrotechnici om kennis uit onze verschillende vakgebieden te integreren. Om dit te laten werken, moet je de hersenen begrijpen en de scheikunde en natuurkunde begrijpen”, zegt Hanne Biesmans, een PhD-student aan het Laboratory of Organic Electronics, LOE, aan de Universiteit van Linköping.
Het onderzoek waar hij naar verwijst betreft zogenaamde organische elektronica, die verbonden kan worden met levend weefsel. Het doel op lange termijn is om verschillende ziekten van het zenuwstelsel en de hersenen te kunnen behandelen. Zijn collega Tobias Abrahamsson is scheikundige.
“Het interdisciplinaire karakter van ons onderzoek, waarbij we verschillende aspecten en kennisgebieden combineren, is heel spannend. Je zou ook kunnen zeggen dat ik een meer persoonlijke motivatie heb, omdat er in mijn familie ziekten voorkomen die het zenuwstelsel aantasten”, zegt hij.
Het vertaalt zich tussen biologie en elektronica.
Maar wat is organische elektronica? En hoe kan het worden gebruikt voor de behandeling van ziekten – zoals epilepsie, depressie of de ziekte van Alzheimer en Parkinson – die tegenwoordig moeilijk te behandelen zijn?
“In het lichaam vindt communicatie plaats via veel kleine moleculen, zoals neurotransmitters en ionen. Neuronale signalering is bijvoorbeeld ook een golf van ionen die aanleiding geeft tot een elektrische impuls. We willen dus iets dat al die informatie kan verwerken en kan fungeren als vertaler tussen ionen en elektronen”, zegt Xenofon Strakosas, een assistent-professor met een achtergrond in de natuurkunde.
In 2023 slaagden ze er samen met andere onderzoekers van Linköping University, Lund University en Gothenburg University in om gelelektroden in levend weefsel te laten groeien.
“In plaats van metalen en andere anorganische materialen te gebruiken om stroom te geleiden, kan elektronica worden gemaakt met behulp van verschillende materialen op basis van koolstof- en waterstofatomen (met andere woorden, organische materialen) die geleiders zijn. Deze passen beter bij biologische weefsels en zijn daardoor geschikter voor integratie in bijvoorbeeld het lichaam”, zegt Tobias Abrahamsson.
Organische elektronische materialen zijn zeer nuttig voor het geleiden van biologische signalen, omdat ze zowel ionen als elektronen kunnen geleiden. Bovendien zijn ze zacht, in tegenstelling tot metalen.
Elektrische hersenstimulatie wordt al gebruikt om sommige ziekten te behandelen. Voor de behandeling van bijvoorbeeld de ziekte van Parkinson worden elektroden in de hersenen geïmplanteerd.
“Maar de implantaten die tegenwoordig klinisch worden gebruikt, zijn behoorlijk rudimentair; Ze zijn gebaseerd op harde of stijve materialen zoals metalen. En ons lichaam is zacht. Dan is er sprake van wrijving, wat kan leiden tot ontstekingen en vorming van littekenweefsel. Onze materialen zijn zachter en passen beter bij het lichaam”, zegt Hanne Biesmans.
Elektroden in planten.
Ongeveer tien jaar geleden demonstreerden zijn collega’s bij LOE dat ze planten een in water oplosbare stof konden laten opnemen, die in de stengel van de plant een structuur vormde die elektriciteit geleidt. Een soort elektrode, dat wil zeggen in een plant.
De stof in kwestie is een zogenaamd polymeer, een stof die bestaat uit veel vergelijkbare kleine eenheden die samen lange ketens kunnen vormen via een proces dat polymerisatie wordt genoemd. Bij die gelegenheid werden rozen gebruikt en konden de onderzoekers aantonen dat ze organische elektroden hadden gemaakt. Dit opende de deur naar een nieuw onderzoeksveld.
‘Maar er ontbrak een stukje. We wisten bijvoorbeeld niet hoe we polymeren konden vormen in zoogdieren en in de hersenen. Maar toen beseften we dat we enzymen in de gel konden hebben en lichaamseigen stoffen konden gebruiken om de polymerisatie op gang te brengen”, zegt Xenofon Strakosas.
Het idee bracht de onderzoekers ertoe de licht stroperige, gelachtige oplossing in weefsel te kunnen injecteren. Wanneer het in contact komt met lichaamseigen stoffen, zoals glucose, veranderen de eigenschappen van de gel. En de Zweedse onderzoekers waren de eersten ter wereld die succes boekten met de methode waarmee de vorming van elektroden in het weefsel werd geactiveerd.
“De gel polymeriseert zichzelf in het weefsel en wordt elektrisch geleidend. We laten de biologie het voor ons doen”, zegt Xenofon Strakosas.
Bovendien blijft het op de plaats waar het is geïnjecteerd. Dit is belangrijk omdat onderzoekers willen kunnen bepalen waar in het weefsel de gel zich bevindt. Het onderzoeksteam heeft laten zien dat ze op deze manier elektroden kunnen laten groeien in de hersenen van zebravissen en rond het zenuwstelsel van bloedzuigers. Ze onderzoeken nu of het ook bij muizen werkt.
Maar er is nog een lange weg te gaan voordat de behandeling van ziekten met de gel werkelijkheid wordt. Eerst zal het onderzoeksteam onderzoeken hoe stabiel de gel in het weefsel is. Gaat het na een tijdje kapot en wat gebeurt er daarna? Een andere belangrijke vraag is hoe de geleidende gel kan worden aangesloten op elektronica buiten het lichaam.
“Het is niet het gemakkelijkste om te doen, maar ik hoop dat de methode in de loop van de tijd kan worden gebruikt om te monitoren wat er in het lichaam gebeurt, tot op cellulair niveau. Dan kunnen we misschien beter begrijpen wat verschillende ziekten in het zenuwstelsel veroorzaakt of daartoe leidt”, zegt Tobias Abrahamsson.
“Er moet nog veel worden opgelost, maar we boeken vooruitgang”, zegt Xenofon Strakosas. “Het zou geweldig zijn als we de elektroden uiteindelijk zouden kunnen gebruiken om signalen in het lichaam te lezen en deze te gebruiken voor onderzoek of gezondheidszorg.”
Geschreven door Karin Söderlund Leifler
Fontein: Linköping Universiteit
Eerder gepubliceerd in The European Times.
