18 juni 2024

Tänk dig en framtid där läkaren kan spruta in en gel i vävnaden och att gelen bildar en mjuk elektrod som leder ström. Med hjälp av den kan din sjukdom i nervsystemet behandlas. Efter ett tag har elektroden lösts upp och är borta. Svenska forskare har redan utvecklat gelen och på sikt vill de kunna koppla elektronik till biologisk vävnad – som hjärnan.

Porträtt av ung kvinnlig forskare vid mikroskop som lyser grönt.
Hanne Biesmans, doktorand, har en bakgrund inom biomedicin.Thor Balkhed

Elektroniska mediciner är ett forskningsområde som inte snällt placerar in sig i ett befintligt fack.

– Just nu pratar du med en fysiker, en kemist och mig, som har en bakgrund inom biomedicin. Vi arbetar tillsammans med att integrera kunskapen från våra olika fält. För att få det här att fungera måste du förstå hjärnan och du måste förstå kemin och fysiken, säger Hanne Biesmans, doktorand vid Laboratoriet för organisk elektronik, LOE, vid Linköpings universitet.

Porträtt av ung man i vit labbrock och skyddshandskar.
Tobias Abrahamsson, postdoktor på LOE, kemist som har utvecklat det ledande organiska materialet.Thor Balkhed

Forskningen hon berättar om handlar om så kallad organisk elektronik som kan kopplas till levande vävnad. Det långsiktiga målet är att kunna behandla olika sjukdomar i nervsystemet och hjärnan. Hennes kollega Tobias Abrahamsson är kemist.

– Det tvärvetenskapliga i forskningen, när vi kombinerar olika aspekter och kunskapsfält, är väldigt spännande. Sedan skulle man kunna säga att jag har en mer personlig drivkraft också eftersom det i min familj finns sjukdomar som drabbar nervsystemet, säger han.

Översätter mellan elektroner och joner

Men vad är ens organisk elektronik? Och hur skulle det kunna användas för att behandla sjukdomar – som epilepsi, depression eller Alzheimers och Parkinsons sjukdom – som i dag är svårbehandlade?

Forskare (Xenofon Strakosas) vid mikroskop.
Xenofon Strakosas leder arbetet med att utveckla organisk bioelektronisk medicin.Thor Balkhed

– I kroppen sker kommunikation genom mängder av små molekyler, som signalsubstanser och joner. Även nervsignalering är en våg av joner som ger upphov till en elektrisk impuls. Så vi vill ha något som kan ta all den informationen och fungera som en översättare mellan joner och elektroner, säger Xenofon Strakosas, biträdande universitetslektor med en bakgrund inom fysik.

År 2023 lyckades de tillsammans med andra forskare vid Linköpings, Lunds och Göteborgs universitet odla gelelektroder i levande vävnad.

– I stället för att använda metaller och andra oorganiska material för att leda ström kan man skapa elektronik baserad på olika material som bygger på kol- och väteatomer – organiska material, med andra ord – och som är ledande. De har bättre kompatibilitet med biologiska vävnader och är därför bättre lämpade att integrera med exempelvis kroppen, säger Tobias Abrahamsson.

De organiska elektroniska materialen är väldigt användbara för den som vill leda biologiska signaler. De kan nämligen leda både joner och elektroner. Dessutom är de mjuka, till skillnad från metaller.

Redan i dag används elektrisk stimulering i hjärnan som behandling av en del sjukdomar. Då implanteras elektroder i hjärnan, exempelvis för att behandla Parkinsons sjukdom.

Närbild på en mini-modell av en hjärna av genomskinlig gel.
Hanne Biesmans har gjort en mini-modell av gel av en hjärna för att demonstrera principen med mjuka elektroder.

– Men implantaten som används kliniskt i dag är ganska rudimentära, de är baserade på hårda material som metaller. Och vår kropp är mjuk. Så det uppstår friktion och det kan bli inflammation och bildas ärrvävnad. Våra material är mjukare och mer kompatibla med kroppen, säger Hanne Biesmans.

Elektroder inne i växter

Redan för drygt tio år sedan visade deras forskarkollegor på LOE att de kunde få växter att suga upp ett vattenlösligt ämne, som inne i växtens stjälk bildade en struktur som leder ström. En slags elektrod, med andra ord, inne i en växt.

Ämnet i fråga som forskarna använde är en så kallad polymer – ett ämne som består av många små likadana enheter som tillsammans kan bilda långa kedjor genom en process som heter polymerisering. Den gången använde forskarna rosor och kunde visa att de skapat organiska elektroder. Det öppnade dörren för ett nytt forskningsfält.

– Men en bit saknades. Vi visste inte hur vi skulle kunna få polymererna att formas inne i däggdjur och exempelvis hjärnan. Men så kom vi på att vi kan ha enzymer i gelen och utnyttja kroppens egna ämnen för att sätta i gång polymeriseringen, säger Xenofon Strakosas.

Genomskinlig droppe på elektronisk krets.
Den injicerbara gelens ledningsförmåga testas på en elektronisk krets.Thor Balkhed

Idéen ledde till att forskarna nu kan injicera den tjockflytande gel-liknande vätskan i vävnaden. När den kommer i kontakt med kroppens egna ämnen, exempelvis blodsockret glukos eller andra metaboliter, förändras gelens egenskaper. Och metoden de svenska forskarna använde sig av för att aktivera bildandet av elektroder i vävnaden var de först i världen att lyckas med.

– Gelen polymeriseras av sig självt i vävnaden och blir elektriskt ledande. Vi låter biologin göra det åt oss, säger Xenofon Strakosas.

Dessutom stannar den kvar på platsen där den injicerats. Det är viktigt eftersom forskarna vill kunna kontrollera var i vävnaden gelen finns. Forskarteamet har visat att de på detta sätt kan odla elektroder i hjärnan hos zebrafiskar och runt nervsystemet hos blodiglar. Nu undersöker de om det också fungerar i möss.

Men det är en lång väg att gå innan det kan bli aktuellt att behandla sjukdomar med gelen. Först ska forskarteamet utforska hur stabil gelen är inne i vävnaden. Bryts den ner efter ett tag och vad händer då? En annan viktig fråga är hur den ledande gelen ska kunna kopplas ihop med elektronik utanför kroppen.

Närbild av forskningsprototyp.
Forskarna undersöker hur ett flexibelt gränssnitt skulle kunna koppla ihop gelen med extern elektronik. Den långa nålen används för att injicera gelen, som syns som en droppe vid nålspetsen.Thor Balkhed

– Det är inte det lättaste att göra, men jag hoppas att metoden på sikt kan användas till att följa vad som sker inne i kroppen, ner på cellnivå. Då kanske vi kan förstå mer om vad som utlöser eller leder fram till olika sjukdomstillstånd i nervsystemet, säger Tobias Abrahamsson.

– Det är mycket kvar att lösa, men vi gör framsteg, säger Xenofon Strakosas. Det vore häftigt om vi på sikt kan använda elektroderna till att läsa av signaler inne i kroppen och använda dem för forskning eller inom sjukvården.

Vi låter biologin göra det åt oss
Xenofon Strakosas, biträdande universitetslektor

Kontakt

Mer om forskningen om elektroniska mediciner

Nyfiken på forskningsmiljön?

Senaste nytt från LiU

Alex Enrich Prast i Amazonas skogar.

Träden överraskar – tar bort metan från atmosfären

Att träd är bra för klimatet genom att de tar upp koldioxid ur atmosfären är väl känt. Men nu står det klart att träden har ytterligare en viktig roll.

En person sitter och ler.

LiU-alumner hjälper industrin att spara pengar och energi

Han lämnade ett högavlönat jobb i gas- och oljeindustrin i Indien för en masterutbildning i hållbarhet och energiteknik på LiU. Sajid Athikkay ångrar inte u-svängen. Nu driver han ett företag som hjälper industrier att spåra och spara energi.

En man i kostym håller en grön växt i handen.

LiU med i megastudie om klimatbeteende

Vilket är bästa sättet att få oss människor att bete oss mer klimatvänligt? Forskare vid Linköpings universitet och Karolinska institutet har bidragit till en världsomspännande studie för att ta reda på det.