Botemedel byggs av hjärnan själv

Ett stort forskningsprojekt, eNeuroPharma, vill bidra till bättre behandlingar av neurodegenerativa sjukdomar och neuronala störningar genom utveckling av elektroceuticals. Det är organiska elektroniska komponenter och system som skapas in vivo inom nervsystemet. Dessa kan verka inom ett skadat område i hjärnan och ersätta nerver som skadats.

Nervsignaler styr kroppsliga funktioner från rörelser till immunsystemets aktivitet. Elektroceuticals är en ny kategori av terapeutiska läkemedel som verkar genom att rikta in sig på nervkretsarna i organ. Terapin innebär att kartlägga de neurala kretsarna och leverera neurala impulser till dessa specifika mål.
– Man vet idag att biokemiska läkemedel inte fungerar som behandling av nervsjukdomar, exempelvis Parkinsons, då de inte tar hänsyn till de elektriska egenskaperna i framförallt nervreflexer. Ett fåtal behandlingsmetoder baseras på elektriska principer och utnyttjar då metallelektroder som placeras vid nerver för att elektriskt stimulera signaler och behandla sjukdom. Dock kräver de kirurgiska ingrepp, kan utlösa immunsvaret och orsaka intern ärrbildning vilket gör att de inte fungerar så bra som man hoppats, förklarar forskningsingenjör Mary Donahue.
Som ett alternativ till den typen av behandling fokuserar forskarna i eNeuroPharma-gruppen vid Laboratoriet för organisk elektronik (LOE), hos Linköpings universitets Institutionen för teknik och naturvetenskap, på att hitta vägar att bygga organiska elektroniska mekanismer inne i hjärnan. Själva processen bygger på att förmå små molekyler som injiceras att söka sig till ett skadat område i hjärnan och där polymeriseras till en ledande polymer som kan fungera som en elektrod.

Funktionen hos celler och vävnader
Forskningsingenjör Chiara Musumeci fokuserar på olika sätt att förankra de små molekylerna till celler där man vill att polymerisationen ska ske.
– Jag undersöker olika kontaktytor för att se hur polymeren kan interagera med celler, att fästa vid en cell. Hittills i projektet har jag hittat molekyler som hjälper till att binda polymeren till cellmembranet och även kunnat konstatera att de små molekylerna vi avser att använda som byggstenar i polymeren tolereras bra av kroppen. Vi har även konstaterat att i de modeller vi har testat så behåller polymeren sin elektriska ledningsförmåga i kontakt med cellen.
En annan del i projektet fokuserar på att förstå hur den organiska vävnaden fungerar inne i hjärnan.
– Vi vill se om vi kan använda hjärnans egen biologi för att kontrollera var själva polymerisationen ska ske. Den måste ju äga rum just där det finns en störning. Vi behöver också förstå hur den störningen påverkar den delen av hjärnan och hur polymerelektroden kan laga störningen eller ersätta den störda funktionen, förklarar Xenofon Strakosas, biträdande universitetslektor.

Energi behövs för att skicka signaler
När de väl lyckas skapa en elektrod på rätt ställe i hjärnan så behöver den energi för att kunna skicka signaler i kroppen och även signaler till system utanför kroppen.
– Vi forskar på ultratunna, böjbara material som gör det möjligt att överföra energi från en energikälla utanför kroppen till en mekanism inuti kroppen. På så sätt undviker vi att behöva implantera till exempel batterier i kroppen. En möjlighet är ett mycket tunt material, tunnare än ett hårstrå, som kan fungera som en kabel in till elektroden i hjärnan. Ett sådant material kan laddas genom huden med exempelvis ljus. Ett sådant material skulle även kunna användas för att skicka signaler från elektroden i hjärnan till mottagare utanför kroppen, berättar Mary Donahue.

Neuromorphic computing
För att hela systemet med elektroder som elektroceuticals inne i hjärnan ska fungera behövs datorkapacitet. Den behövs både för att processa alla signaler från elektroderna i hjärnan och för att kunna styra elektroderna att utföra vissa uppgifter. För att bearbeta signaler på plats inne i hjärnan vill de använda ”neuromorphic computing”.
– Mängden av molekyler som vi vill upptäcka i kroppen, som glukos eller sjukdomsmarkörer, finns på ett kontinuum. Detsamma gäller mängden av medicin för behandling. Med neuromorphic computing kringgår vi behovet av att konvertera analoga signaler till digitala och tillbaka till analoga igen, vilket kraftigt minskar storleken och strömförbrukningen för de enheter som vi behöver för att utföra samma beräkning, förklarar forskningsingenjör Jennifer Gerasimov.
Hittills i projektet har de kommit relativt långt med att utveckla de olika små verktygen. Nästa steg blir att få alla verktygen att fungera ihop och forma mer komplexa system.