Elektroder odlas i hjärnan – kan på sikt bota nervsjukdomar

Gränserna mellan biologi och teknologi suddas ut. Forskare vid Linköpings, Lunds och Göteborgs universitet har lyckats odla elektroder i levande vävnad med kroppens egna molekyler som utlösare. Resultatet, som publicerats i tidskriften Science, banar väg för tillverkning av helt integrerade elektroniska kretsar i levande organismer.

– I flera decennier har vi försökt skapa elektronik som härmar biologin. Nu låter vi i stället biologin skapa elektroniken för oss, säger Magnus Berggren, professor vid Laboratoriet för organisk elektronik, LOE, vid Linköpings universitet.

Att koppla elektronik till biologisk vävnad är viktigt bland annat för att förstå komplexa biologiska funktioner, bekämpa sjukdomar i hjärnan och utveckla framtida gränssnitt mellan människa och maskin. Konventionell bioelektronik, med principer från halvledarindustrin, har dock en fast och statisk utformning som är svår, för att inte säga omöjlig, att förena med levande, biologiska signalsystem.

För att överbrygga den här skillnaden har forskare utvecklat en metod för att skapa mjuka substratfria elektroniska ledande material i levande vävnad. Genom att injicera en gelatinliknande gel med enzymer som ”monteringsmolekyler” lyckades forskarna odla elektroder i vävnaden hos zebrafiskar och blodiglar.

– Kontakten med kroppens egna ämnen förändrar strukturen i gelen och gör den elektriskt ledande, vilket den inte är innan den injiceras. Beroende på vilken vävnad det handlar om kan vi också justera sammansättningen av gelen så att den elektriska processen kommer i gång, säger Xenofon Strakosas, forskare vid LOE och Lunds universitet samt en av huvudförfattarna till studien.

För att aktivera bildandet av elektroder räcker det med de kroppsegna molekylerna och det behövs ingen genetisk modifiering eller externa signaler, som ljus eller elektrisk energi vilket varit nödvändigt i tidigare experiment. Just detta är de svenska forskarna först i världen att lyckas med.

Studien banar väg för ett nytt paradigm inom bioelektronik. Där det tidigare krävts inopererade fysiska föremål för att starta elektroniska processer i kroppen, kommer det i framtiden räcka med en trögflytande gel som sprutas in.

I studien visar forskarna vidare att metoden kan användas för att rikta ledande polymerer till specifika biologiska substrukturer och därigenom skapa ett lämpligt material för nervstimulering. På längre sikt kan tillverkning av helt integrerade elektroniska kretsar i levande organismer vara möjligt.

I experiment utförda på Lunds universitet har forskarna lyckats utveckla elektroder i hjärnan och hjärtat hos zebrafiskar, i stjärtfenan hos samma fisk och runt nervvävnaden i medicinska blodiglar. Djuren tog ingen skada av den injicerade gelen och påverkades i övrigt inte av att elektroderna utvecklades. En av många utmaningar i försöken var att ta hänsyn till djurens immunförsvar.

– Genom att vi gjorde smarta förändringar i kemin kunde vi få fram elektroder som accepterades av hjärnvävnad och immunförsvaret. Zebrafisken är en utmärkt modell för att studera organiska elektroder i hjärnor, säger Roger Olsson, professor vid medicinska fakulteten vid Lunds universitet, och som även har kemilaboratorium vid Göteborgs universitet.

Initiativet till studien togs av professor Roger Olsson sedan han läst om den elektroniska ros som LiU-forskare utvecklade 2015. En svårighet i forskningen, och en viktig skillnad mellan växter och djur, är skillnaden i cellstruktur. Medan växter har hårda cellväggar, som det går att odla elektroder på, är cellerna i djur mer som en lös massa. Att skapa en gel med tillräcklig struktur och rätt mängd ämnen för att utveckla elektroder i en sådan omgivning var en utmaning som det tog flera år att lösa.

– Våra resultatet öppnar helt nya sätt att tänka kring biologi och elektronik. Det återstår en rad problem som vi inte har löst, men studien är en bra startpunkt för framtida forskning, säger Hanne Biesmans, doktorand vid LOE och en av huvudförfattarna.

Studien finansierades av Europeiska forskningsrådet, Vetenskapsrådet, Stiftelsen för strategisk forskning samt Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.

Artikeln: Metabolite-induced in vivo fabrication of substrate-free organic bioelectronics; Xenofon Strakosas, Hanne Biesmans, Tobias Abrahamsson, Karin Hellman, Malin Silverå Ejneby, Mary J. Donahue, Peter Ekström, Fredrik Ek, Marios Savvakis, Martin Hjort, David Bliman, Mathieu Linares, Caroline Lindholm, Eleni Stavrinidou, Jennifer Y. Gerasimov, Daniel T. Simon, Roger Olsson, Magnus Berggren. Science 2023. Publicerad online 23 februari 2023 DOI: 10.1126/science.adc9998

Kontakt

Magnus Berggren, professor Linköpings universitet, magnus.berggren@liu.se, 011-363637

Roger Olsson, professor Lunds universitet, roger.olsson@med.lu.se, 076-8874217

Daniel Simon, professor Linköpings universitet, daniel.simon@liu.se, 011-363476