Elektroder kan odlas i levande vävnad

Gränserna mellan biologi och teknologi suddas ut allt mer. Nu har forskare vid universiteten i Linköping, Lund och Göteborg lyckats odla elektroder i levande vävnad med kroppens egna molekyler som utlösare.

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

Att koppla elektronik till biologisk vävnad är viktigt för att förstå komplexa biologiska funktioner, bekämpa sjukdomar i hjärnan och utveckla framtida gränssnitt mellan människa och maskin.

Men konventionell bioelektronik, med principer från halvledarindustrin, har en fast och statisk utformning som nästintill är omöjlig att förena med levande, biologiska signalsystem. För att överbrygga den här skillnaden har forskare utvecklat en metod för att skapa mjuka elektroniska ledande material i levande vävnad.

Zebrafiskar fick elektroder i vävnaden

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 forskaren Xenofon Strakosas vid Lunds universitet.

Kroppens molekyler räcker

För att aktivera bildandet av elektroder räcker det med de kroppsegna molekylerna. Det behövs inte någon genetisk modifiering eller externa signaler – som ljus eller elektrisk energi – som varit nödvändigt i tidigare experiment. De svenska forskarna är först i världen att lyckas med detta.

När kroppsegna molekyler tillsätts till gelen blir den blå. Det indikerar att den är elektriskt ledande. Bild: Thor Balkhed

Inopererade föremål behövs inte

Studien banar väg för ett viktigt skifte 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 även 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.

Immunförsvaret en utmaning

I experimenten lyckades forskarna utveckla elektroder i hjärnan, hjärtat och i stjärtfenan hos zebrafiskar samt 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 forskaren Roger Olsson vid Lunds universitet.

Mer forskning behövs

Han tog initiativ till studien efter att han läst om den elektroniska ros som forskare vid Linköpings universitet utvecklade 2015.

En svårighet i forskningen är skillnaden i cellstruktur mellan djur och växter. Medan växter har hårda cellväggar, som det går att odla elektroder på, är cellerna i djur mer som en lös massa. Det var därför en utmaning att skapa en gel med tillräcklig struktur och rätt mängd ämnen för att utveckla elektroder i en sådan omgivning. Det tog flera år för forskarna att lösa problemet.

– 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 Linköpings universitet.

Studie:

Metabolite-induced in vivo fabrication of substrate-free organic bioelectronics, Science.

Kontakt:

Magnus Berggren, professor vid Linköpings universitet, magnus.berggren@liu.se

Roger Olsson, professor vid Lunds universitet, roger.olsson@med.lu.se