De talar med celler på cellernas vis

Med en mikrometerstor jonpump i organisk elektronik kan joner skickas till nerv- eller muskelceller med nervsystemets egen hastighet och med cellens precision. ”Nu kan vi börja utveckla komponenter som talar kroppens eget språk” säger LiU-forskaren Daniel Simon.

Amanda Jonsson, Daniel Simon och Theresia Arbring SjöströmFoto: Thor BalkhedVåra nerv- och muskelceller signalerar till varandra med joner och molekyler. Vissa ämnen, som neurotransmittorn GABA (gammaaminosmörsyra) är en viktig signalsubstans i hela vårt centrala nervsystem. För ett och ett halvt år sedan kunde forskarna vid Laboratoriet för organisk elektronik demonstrera en jonpump med vars hjälp forskare vid Karolinska Institutet kunde reducera förnimmelse av smärta hos fritt rörliga råttor. Jonpumpen levererade GABA till råttans ryggmärg. Nyheten att forskarna nu kan leverera kroppens egna neurotransmittorer publicerades i Science Advances och väckte stor uppmärksamhet världen över.  

Snabb och pricksäker jonpump

Forskargruppen vid Laboratoriet för organisk elektronik har nu tagit ett stort steg vidare och utvecklat en betydligt mindre och snabbare jonpump som skickar signaler nästan lika snabbt som cellerna själva och med en pricksäkerhet och upplösning på enstaka celler. Även denna gång publiceras resultaten i Science Advances.
 
– Våra skickliga doktorander, Amanda Jonsson och Theresia Arbring Sjöström, har lyckats med den sista viktiga pusselbiten i utvecklingen av jonpumpen. När en signal passerar mellan två synapser tar det 1-10 millisekunder, vi ligger nu mycket nära nervsystemets egen hastighet, säger Magnus Berggren, professor i organisk elektronik och huvudansvarig för forskningen vid Laboratoriet för organisk elektronik.
 
– Vi kan konstatera att vi har åstadkommit artificiella nerver som kan kommunicera på nervsystemets egna villkor. Efter mer än tio års forskning har vi äntligen alla pusselbitar på plats, säger han.

Individuellt styrda utgångar

Glas med jonpumparFoto: Thor BalkhedAmanda Jonsson, som tillsammans med Theresia Arbring Sjöström är huvudförfattare till artikeln i Science Advances, utvecklade den smärtlindrande jonpumpen som en del av sitt doktorandarbete. Nu visar hon upp ett glas med ett stort antal jonpumpar i mikroformat. Här finns pumpar med en enstaka utgång, men också ett par varianter med sex mikrometersmå punkter till utgångar.
 
– Vi kan ha fler punkter, det är inte svårare än att göra en, och alla kan styras individuellt.  Tidigare kunde vi bara transportera joner horisontellt och från alla utgångar samtidigt. Men nu kan vi leverera vertikalt, vilket gör att sträckan jonerna transporteras bara blir någon mikrometer, förklarar hon.

Nyutvecklad jondiod

Jonpumpens alla utgångar kan också snabbt stängas av och på med hjälp av mikrometersmå jondioder.

– Jonerna frigörs snabbt av en elektrisk signal, på samma vis som neurotransmittorer frigörs i en synaps, säger Theresia Arbring Sjöström.

Här utnyttjas den organiska elektronikens stora fördel att kunna leda både joner och elektricitet, i detta fall handlar det om materialkombinationen PEDOT:PSS som gör att elektriska signaler omvandlas till kemiska signaler som kroppen förstår.

Jondioden är nyutvecklad liksom det material som utgör grunden för den nya snabba jonpumpen.

– De nya materialen gör det möjligt att bygga med en precision och tillförlitlighet som inte varit möjlig i tidigare versioner av jonpumpen, säger Daniel Simon.

Målet att lindra smärta

Ännu så länge testas den nya jonpumpen i labbet. Nästa steg är att testa den med celler och i förlängningen hoppas forskarna att kunna lindra smärta, stoppa epileptiska anfall eller lindra Parkinsons sjukdom, med exakt den dos som behövs och i exakt de celler som berörs. På cellernas eget språk och med cellernas egen hastighet.
 
Forskningen finansieras av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Vetenskapsrådet och Vinnova.
 
Chemical delivery array with millisecond neurotransmitter release, Amanda Jonsson, Theresia Arbring Sjöström, Klas Tybrandt, Magnus Berggren, Daniel T Simon, Science Advances 2016, DOI 10.1126/sciadv.1601340

Jonpumpen

Jonpump med sex utgångar intill en tiokrona

Jonpumpens sex utgångar intill en svensk tiokrona. Det korta avståndet jonerna behöver transporteras innebär att jonerna levereras snabbare än vad som tidigare varit möjligt. Varje utgång har försetts med en kontrollelektrod av en ledande polymer, vilket innebär att utgångarna kan styras separat. Kontrollelektroden bildar tillsammans med ett annat material en jondiod, som även hindrar läckage. (En diod leder bara åt ett håll). Den ledande polymeren i kontrollelektroden laddas med joner när pumpen är av. Jonerna är redo att snabbt frigöras vid en elektrisk signal, på samma vis som en aktionspotential gör att neurotransmittorer frigörs i en synaps. Detta kan ske om och om igen.  Thor Balkhed

Forskarna

Forskning

Kontakt