Stellen Sie sich eine Zukunft vor, in der Ihr Arzt ein Gel in Ihr Gewebe injizieren kann und das Gel eine weiche, stromleitende Elektrode bildet. Dies kann dann zur Behandlung Ihrer Erkrankung des Nervensystems eingesetzt werden. Nach einer Weile löste sich die Elektrode auf und verschwand. Schwedische Forscher haben das Gel bereits entwickelt und wollen letztendlich elektronische Komponenten mit biologischen Geweben wie dem Gehirn verbinden.
Die Leitfähigkeit des injizierbaren Gels wird an einem mikrogefertigten Schaltkreis getestet. Bildnachweis: Thor Balkhed/Universität Linköping
Elektronische Medizin ist ein Forschungsgebiet, das nicht genau in ein bestehendes Fachgebiet passt.
„Im Moment sprechen Sie mit einem Physiker, einem Chemiker und mir, die einen Hintergrund in der Biomedizin haben. Wir arbeiten mit Materialwissenschaftlern und Elektroingenieuren zusammen, um Wissen aus unseren verschiedenen Bereichen zu integrieren. Damit dies funktioniert, muss man das Gehirn verstehen und Chemie und Physik verstehen“, sagt Hanne Biesmans, Doktorandin am Labor für organische Elektronik (LOE) der Universität Linköping.
Die Forschung, auf die sie sich bezieht, konzentriert sich auf sogenannte organische Elektronik, die mit lebendem Gewebe verbunden werden kann. Langfristiges Ziel ist es, verschiedene Erkrankungen des Nervensystems und des Gehirns behandeln zu können. Sein Kollege Tobias Abrahamsson ist Chemiker.
„Der interdisziplinäre Charakter unserer Forschung, bei der wir verschiedene Aspekte und Wissensbereiche kombinieren, ist sehr spannend. Man könnte auch sagen, dass ich eine eher persönliche Motivation habe, denn in meiner Familie gibt es Krankheiten, die das Nervensystem betreffen“, sagt er.
Übersetzt zwischen Biologie und Elektronik
Aber was ist organische Elektronik? Und wie könnte es zur Behandlung von heute schwer behandelbaren Krankheiten wie Epilepsie, Depression oder Alzheimer und Parkinson eingesetzt werden?
„Die Kommunikation im Körper erfolgt über eine große Anzahl kleiner Moleküle wie Neurotransmitter und Ionen. Bei der neuronalen Signalübertragung handelt es sich beispielsweise auch um eine Ionenwelle, die einen elektrischen Impuls auslöst. Wir wollen also etwas, das all diese Informationen aufnehmen und als Übersetzer zwischen den Ionen und den Elektronen fungieren kann“, sagt Xenofon Strakosas, ein Assistenzprofessor mit einem Hintergrund in Physik.
Im Jahr 2023 gelang es ihnen gemeinsam mit anderen Forschern der Universität Linköping, der Universität Lund und der Universität Göteborg, Gelelektroden in lebendem Gewebe zu züchten.
„Anstatt Metalle und andere anorganische Materialien zum Leiten von Strom zu verwenden, kann Elektronik aus verschiedenen Materialien auf Basis von Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen – also organischen Materialien – hergestellt werden, die leitend sind.“ Diese sind verträglicher mit biologischen Geweben und daher besser für die Integration beispielsweise in den Körper geeignet“, erklärt Tobias Abrahamsson.
Organische elektronische Materialien sind für die Weiterleitung biologischer Signale sehr nützlich, da sie sowohl Ionen als auch Elektronen leiten können. Darüber hinaus sind sie im Gegensatz zu Metallen weich. Elektrische Hirnstimulation wird bereits zur Behandlung bestimmter Krankheiten eingesetzt. Beispielsweise zur Behandlung der Parkinson-Krankheit werden Elektroden ins Gehirn implantiert.
„Aber die heute klinisch verwendeten Implantate sind recht rudimentär; Sie basieren auf harten oder starren Materialien wie Metallen. Und unser Körper ist weich. Dadurch entsteht Reibung, die zu Entzündungen und der Bildung von Narbengewebe führen kann. Unsere Materialien sind weicher und körperverträglicher“, erklärt Hanne Biesmans.
Elektroden in Pflanzen
Bereits vor rund zehn Jahren zeigten ihre Kollegen am LOE, dass sie Pflanzen dazu bringen konnten, eine wasserlösliche Substanz aufzusaugen, die im Inneren des Pflanzenstamms eine elektrisch leitfähige Struktur bildete. Eine Art Elektrode also im Inneren einer Anlage.
Bei der betreffenden Substanz handelt es sich um ein sogenanntes Polymer – eine Substanz, die aus vielen kleinen, ähnlichen Einheiten besteht, die durch einen Prozess namens Polymerisation lange Ketten bilden können. Diesmal wurden Rosen verwendet und die Forscher konnten zeigen, dass sie organische Elektroden hergestellt hatten. Dies öffnete die Tür zu einem neuen Forschungsgebiet.
„Aber es fehlte ein Teil. Wir wussten beispielsweise nicht, wie man Polymere im Inneren von Säugetieren und im Gehirn bildet. Doch dann wurde uns klar, dass wir Enzyme im Gel enthalten und körpereigene Substanzen nutzen können, um die Polymerisation zu starten“, erklärt Xenofon Strakosas.
Die Idee ermöglichte es den Forschern nun, die leicht viskose, gelartige Lösung in das Gewebe zu injizieren. Bei Kontakt mit körpereigenen Substanzen wie Glukose verändern sich die Eigenschaften des Gels. Und schwedische Forscher waren die ersten weltweit, denen es gelang, die Bildung von Elektroden im Gewebe zu aktivieren.
„Das Gel polymerisiert im Gewebe selbst und wird zum Stromleiter. Wir lassen die Biologie die Arbeit für uns erledigen“, erklärt Xenofon Strakosas.
Außerdem bleibt es dort, wo es injiziert wurde. Das ist wichtig, denn Forscher wollen kontrollieren können, wo sich das Gel im Gewebe befindet. Das Forschungsteam zeigte, dass sie auf diese Weise Elektroden im Gehirn von Zebrafischen und um das Nervensystem von Blutegeln wachsen lassen konnten. Ob es auch bei Mäusen funktioniert, untersuchen sie derzeit.
Doch bis die Behandlung von Krankheiten mit Gel Realität wird, ist es noch ein weiter Weg. Zunächst wird das Forscherteam die Stabilität des Gels im Gewebe untersuchen. Geht es nach einer Weile kaputt und was passiert als nächstes? Eine weitere wichtige Frage ist, wie das leitfähige Gel mit der Elektronik außerhalb des Körpers verbunden werden kann.
„Es ist nicht die einfachste Sache, aber ich hoffe, dass diese Methode im Laufe der Zeit genutzt werden kann, um zu überwachen, was im Körper passiert, bis hin zur zellulären Ebene. Wir können dann möglicherweise besser verstehen, was verschiedene Erkrankungen des Nervensystems auslöst oder dazu führt“, erklärt Tobias Abrahamsson.
„Es gibt noch viel zu lösen, aber wir machen Fortschritte“, sagt Xenofon Strakosas. Es wäre großartig, wenn wir die Elektroden irgendwann nutzen könnten, um Signale im Körper auszulesen und sie für die Forschung oder im Gesundheitswesen zu nutzen.
Geschrieben von Karin Söderlund Leifler
Quelle: Universität Linköping
Ursprünglich veröffentlicht in The European Times.
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