Jonpump ger kroppen egen smärtlindring

En liten jonpump i organisk elektronik ger nytt hopp till de människor som lider av svåra nervsmärtor. Forskare vid Linköpings universitet är först i världen med teknik som kan stoppa smärtimpulser hos levande, fritt rörliga råttor.

JonpumpResultaten av tio års forskning publiceras nu i Science Advances.

Om fem-tio år kan den finnas i kliniskt bruk, den lilla jonpumpen som pumpar in kroppens egen smärtlindring i exakt rätt dos och på exakt det ställe där smärtsignalen når ryggmärgen för vidare befordran upp till hjärnan. Jonpumpen ger i första hand hopp för de sju procent av världens befolkning som lider av nervsmärtor och för vilka man hittills inte hittat någon annan bot. Men jonpumpen skulle även kunna användas för att tillföra terapeutiska substanser, förutom i ryggmärgen, även i hjärnan och andra delar av kroppen.

– Jonpumpen kan liknas vid en pacemaker, fast för smärtlindring, säger professor Magnus Berggren, ansvarig för forskningen som bedrivits av forskaren Daniel Simon och doktoranden Amanda Jonsson, vid Laboratoriet för organisk elektronik, Campus Norrköping och i samarbete med forskare vid Karolinska Institutet, ledda av professor Bengt Linderoth.

Kroppens egen smärtlindring

Medan en pacemaker skickar ut elektriska impulser till hjärtat skickar jonpumpen ut kroppens egen smärtlindring, laddade joner av en så kallad neurotransmittor, exakt till den plats där de skadade nerverna får kontakt med ryggmärgen. Det innebär att smärtimpulsen aldrig når hjärnan. I det här fallet handlar det om neurotransmittorn gamma-amino-smörsyra, GABA, vars naturliga huvuduppgift är att hämma retningar i vårt centrala nervsystem.
Magnus Berggren Daniel Simon och Amanda Jonsson
Det tekniska genombrott artikeln i Science Advances bekriver är att Amanda Jonsson i samarbete med Zhiyang Song, Institutionen för klinisk neurovetenskap, KI, konstruerat den lilla jonpumpen i organisk elektronik och att den sedan har använts för att blockera smärtimpulser på levande och fritt rörliga råttor. 

Jonpumpen

Amanda Jonsson har lyckats skapa ett mönster av en jonledande polymer i en tiondels millimeter tunna streck på en plastfilm. Ovanpå den är ett skydd av ett annat icke ledande plastmaterials tryckt, ett material som både är vattentätt och böjbart. Till den 0,2 mm tunna plastremsan har hon sedan anslutit en liten behållare där neurotransmittorn förvaras. Med hjälp av sinnrikt placerade elektriska resistanser har hon sedan fått pumpen att dosera positivt laddade joner på fyra olika ställen exakt avpassade efter avståndet mellan de platser när nervändarna når råttans ryggrad. En elektrod placerad i änden av jonpumpen och en annan elektrod placerad under råttans hud gör att det bara behövs en elektrisk signal för att GABA ska spridas som ett tunt moln in i nervändarna. Smärtlindringen har hittills inte haft några negativa bieffekter.

– Det unika här är att vi använder organisk elektronik för att skicka kroppsegna kemiska signaler. De organiska materialen accepteras lätt av kroppen eftersom de kommunicerar på samma vis - med laddade joner, säger Daniel Simon.
jonpump 2015
Det var Daniel Simon som presenterade de första resultaten där en jonpump i plastelektronik kunde styra cellfunktioner hos levade djur, publicerad i Nature Materials 2009.

I en tidigare publicerad artikel, med franska forskarkolleger vid universitetet Aix Marseille som medförfattare, har forskarna också lyckats förhindra epileptiska signaler i delar av mushjärnor med hjälp av jonpumpen. Det resultatet publicerades nyligen i tidskriften Advanced Materials.

Tio års arbete

Forskningen kring jonpumpen är en del av OBOE centrum för organisk bioelektronik där tio forskargrupper från LiU, KI och Acreo Swedish ICT samarbetar sedan 2006.

OBOE finansierades till en början av SSF och numera av Vinnova.

– Att vi skulle visa positiva effekter på en levande varelse var ett av målen för OBOE när vi startade för snart tio år sedan, konstaterar Magnus Berggren.

Djurförsök är strikt reglerade och har utförts av forskare vid Karolinska institutet. Regelverket för den här typen av medicinska framsteg innebär att djurförsök ännu så länge är ett måste om tekniken i framtiden ska kunna testas på människor.

– Reglerna är i dag så strikta att jag tvivlar på att exempelvis pacemakern skulle ha nått marknaden om den uppfunnits i dag, säger Magnus Berggren.

Magnus Berggren och hans medarbetare har nu tagit kontakt med medicinteknikföretag med möjlighet att testa och utveckla tekniken för att så småningom få ut smärtlindringen på marknaden

Jonpump i organisk elektronik, kort video
Jonpumpen består av en elektrod av en ledande polymer inuti en liten behållare. Via en tunn kanal leds joner ut till exakt rätt område – till exempel ryggmärgen. Behållaren är fylld med en lösning av läkemedel, neurotransmittorer eller andra substanser. När en spänning läggs över elektroderna, en i behållaren och en extern, transporteras den laddade substansen ut ur behållaren. Mängden substans som levereras per tidsenhet är direkt proportionell mot strömstyrkan. Bara den aktiva substansen pumpas ut, ingen flytande vätska kommer med och det förekommer inget returflöde till pumpen.

I Science Advances, som är en ny systertidskrift till ansedda Science, publiceras alla artiklar med öppen access. 

Artikeln i Science Advances, Therapy using implanted organic bioelectronics
Artikel i Advanced Materials, Controlling Epileptiform Activity with Organic Electronic Ion Pumps
Artikel i Nature Materials, Organic electronics for precise delivery of neurotransmitters to modulate mammalian sensory function.

Forskare