Elektroden kweken in de hersenen?

De grenzen tussen biologie en technologie vervagen. Onderzoekers van de universiteiten van Linköping, Lund en Göteborg in Zweden hebben met succes elektroden gekweekt in levend weefsel met behulp van lichaamsmoleculen als triggers.

Het resultaat, gepubliceerd in het tijdschrift Science, maakt de weg vrij voor de vorming van volledig geïntegreerde elektronische schakelingen in levende organismen.

“Al tientallen jaren proberen we elektronica te maken die de biologie nabootst. Nu laten we de biologie de elektronica voor ons maken”, zegt Magnus Berggren van de Universiteit van Linköping.

Het koppelen van elektronica aan biologisch weefsel kan helpen 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 ‘assemblagemoleculen’, konden de onderzoekers elektroden kweken in het weefsel van zebravissen en medicinale bloedzuigers.

“Contact met de stoffen van het lichaam verandert de structuur van de gel en maakt hem elektrisch geleidend, wat hij vóór injectie niet 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.

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.

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

In experimenten bereikte het team elektrodevorming in de hersenen, het hart en de staartvinnen van zebravissen en rond het zenuwweefsel van medicinale bloedzuigers. Voor zover de onderzoekers weten, werden de dieren niet geschaad door de geïnjecteerde gel en 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 Roger Olsson van de Universiteit van Lund.

Het was Olsson die het initiatief nam voor het onderzoek, nadat hij in 2015 had gelezen over de elektronische roos die onderzoekers van Linköping University 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.