Elettrodi cresciuti nel cervello per curare i disturbi neurologici


Elettrodi cresciuti nel cervello per curare i disturbi neurologici

Questo studio descrive lo sviluppo di un metodo per creare dinamicamente materiali conduttori privi di substrato morbido all'interno di un ambiente biologico

L'interfacciamento dell'elettronica con il tessuto neurale è fondamentale per comprendere funzioni biologiche complesse, ma la bioelettronica convenzionale è costituita da elettrodi rigidi fondamentalmente incompatibili con i sistemi viventi.

I ricercatori delle università svedesi di Linköping, Lund e Göteborg sono riusciti a coltivare elettrodi in tessuti viventi utilizzando le molecole del corpo come inneschi. Il risultato, pubblicato sulla rivista Science (1), apre la strada alla formazione di circuiti elettronici completamente integrati negli organismi viventi.

«Per diversi decenni, abbiamo cercato di creare elettronica che imitasse la biologia. Ora lasciamo che la biologia crei l'elettronica per noi», afferma il professor Magnus Berggren (2) del Laboratorio di elettronica organica, LOE, dell'Università di Linköping.

Collegare l'elettronica al tessuto biologico è importante per comprendere complesse funzioni biologiche, combattere le malattie nel cervello e sviluppare future interfacce tra uomo e macchina. Tuttavia, la bioelettronica convenzionale, sviluppata in parallelo con l'industria dei semiconduttori, ha un design fisso e statico difficile, se non impossibile, da combinare con i sistemi di segnali biologici viventi.

Per colmare questo divario tra biologia e tecnologia, i ricercatori hanno sviluppato un metodo per creare materiali morbidi, privi di substrato ed elettronicamente conduttivi nei tessuti viventi. Iniettando un gel contenente enzimi come “molecole di assemblaggio”, i ricercatori sono stati in grado di far crescere elettrodi nel tessuto di zebrafish e sanguisughe medicinali.

«Il contatto con le sostanze del corpo cambia la struttura del gel e lo rende elettricamente conduttivo, cosa che non è prima dell'iniezione. A seconda del tessuto, possiamo anche regolare la composizione del gel per avviare il processo elettrico», afferma il dottor Xenofon Strakosas (3), ricercatore presso LOE e l'Università di Lund e uno dei principali autori dello studio.

Le molecole endogene del corpo sono sufficienti per innescare la formazione di elettrodi. Non c'è bisogno di modifiche genetiche o segnali esterni, come la luce o l'energia elettrica, che sono stati necessari in esperimenti precedenti. I ricercatori svedesi sono i primi al mondo a riuscirci.

Il loro studio apre la strada a un nuovo paradigma nella bioelettronica. Dove prima erano necessari oggetti fisici impiantati per avviare processi elettronici nel corpo, in futuro sarà sufficiente l'iniezione di un gel viscoso.

Nel loro studio, i ricercatori dimostrano inoltre che il metodo può indirizzare il materiale conduttore elettronico a specifiche sottostrutture biologiche e quindi creare interfacce adatte per la stimolazione nervosa. A lungo termine, potrebbe essere possibile la fabbricazione di circuiti elettronici completamente integrati negli organismi viventi.

Negli esperimenti condotti presso l'Università di Lund, il team ha ottenuto con successo la formazione di elettrodi nel cervello, nel cuore e nelle pinne caudali del pesce zebra e attorno al tessuto nervoso delle sanguisughe medicinali. Gli animali non sono stati danneggiati dal gel iniettato e non sono stati altrimenti influenzati dalla formazione dell'elettrodo. Una delle tante sfide in questi studi è stata quella di tenere conto del sistema immunitario degli animali.

«Apportando modifiche intelligenti alla chimica, siamo stati in grado di sviluppare elettrodi accettati dal tessuto cerebrale e dal sistema immunitario. Il pesce zebra è un modello eccellente per lo studio degli elettrodi organici nel cervello», afferma il professor Roger Olsson (4) della Facoltà di Medicina dell'Università di Lund, che possiede anche un laboratorio di chimica presso l'Università di Göteborg.

È stato il professor Roger Olsson a prendere l'iniziativa per lo studio, dopo aver letto della rosa elettronica sviluppata dai ricercatori dell'Università di Linköping nel 2015. Un problema di ricerca, e un'importante differenza tra piante e animali, era la differenza nella struttura cellulare. Mentre le piante hanno pareti cellulari rigide che consentono la formazione di elettrodi, le cellule animali sono più simili a una massa morbida. Creare un gel con struttura sufficiente e la giusta combinazione di sostanze per formare elettrodi in tali ambienti è stata una sfida che ha richiesto molti anni per essere risolta.

«I nostri risultati aprono a modi completamente nuovi di pensare alla biologia e all'elettronica. Abbiamo ancora una serie di problemi da risolvere, ma questo studio è un buon punto di partenza per la ricerca futura», afferma Hanne Biesmans (5), dottoranda presso LOE e uno dei principali autori.

Riferimenti:

(1) Metabolite-induced in vivo fabrication of substrate-free organic bioelectronics

(2) Magnus Berggren

(3) Xenofon Strakosas

(4) Roger Olsson

(5) Hanne Biesmans

Descrizione foto: Il gel iniettabile testato su un circuito microfabbricato. - Credit: Thor Balkhed.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Electrodes grown in the brain