De talar med celler på cellernas vis

Med en mikrometerstor jonpump i organisk elektronik kan joner skickas till nerv- eller muskelceller med nervsystemets egen hastighet och med cellens precision. ”Nu kan vi börja utveckla komponenter som talar kroppens eget språk” säger Daniel Simon, forskningsledare inom bioelektronik, Laboratoriet för organisk elektronik, Linköpings universitet, Campus Norrköping.

Våra nerv- och muskelceller signalerar till varandra med joner och molekyler. Vissa ämnen, som neurotransmittorn GABA (gammaaminosmörsyra) är en viktig signalsubstans i hela vårt centrala nervsystem. För ett och ett halvt år sedan kunde forskarna vid Laboratoriet för organisk elektronik demonstrera en jonpump med vars hjälp forskare vid Karolinska Institutet kunde reducera förnimmelse av smärta hos fritt rörliga råttor. Jonpumpen levererade GABA till råttans ryggmärg. Nyheten att forskarna nu kan leverera kroppens egna neurotransmittorer publicerades i Science Advances och väckte stor uppmärksamhet världen över.

Forskargruppen vid Laboratoriet för organisk elektronik har nu tagit ett stort steg vidare och utvecklat en betydligt mindre och snabbare jonpump som skickar signaler nästan lika snabbt som cellerna själva och med en pricksäkerhet och upplösning på enstaka celler. Även denna gång publiceras resultaten i Science Advances.

– Våra skickliga doktorander, Amanda Jonsson och Theresia Arbring Sjöström, har lyckats med den sista viktiga pusselbiten i utvecklingen av jonpumpen. När en signal passerar mellan två synapser tar det 1-10 millisekunder, vi ligger nu mycket nära nervsystemets egen hastighet, säger Magnus Berggren, professor i organisk elektronik och huvudansvarig för forskningen vid Laboratoriet för organisk elektronik.

– Vi kan konstatera att vi har åstadkommit artificiella nerver som kan kommunicera på nervsystemets egna villkor. Efter mer än tio års forskning har vi äntligen alla pusselbitar på plats, säger han.

Amanda Jonsson, som tillsammans med Theresia Arbring Sjöström är huvudförfattare till artikeln i Science Advances, utvecklade den smärtlindrande jonpumpen som en del av sitt doktorandarbete. Nu visar hon upp ett glas med ett stort antal jonpumpar i mikroformat. Här finns pumpar med en enstaka utgång, men också ett par varianter med sex mikrometersmå punkter till utgångar.

– Vi kan ha fler punkter, det är inte svårare än att göra en, och alla kan styras individuellt. Tidigare kunde vi bara transportera joner horisontellt och från alla utgångar samtidigt. Men nu kan vi leverera vertikalt, vilket gör att sträckan jonerna transporteras bara blir någon mikrometer, förklarar hon.

Jonpumpens alla utgångar kan också snabbt stängas av och på med hjälp av mikrometersmå jondioder.

– Jonerna frigörs snabbt av en elektrisk signal, på samma vis som neurotransmittorer frigörs i en synaps, säger Theresia Arbring Sjöström.

Här utnyttjas den organiska elektronikens stora fördel att kunna leda både joner och elektricitet, i detta fall handlar det om materialkombinationen PEDOT:PSS som gör att elektriska signaler omvandlas till kemiska signaler som kroppen förstår.

Jondioden är nyutvecklad liksom det material som utgör grunden för den nya snabba jonpumpen.

– De nya materialen gör det möjligt att bygga med en precision och tillförlitlighet som inte varit möjlig i tidigare versioner av jonpumpen, säger Daniel Simon.

Ännu så länge testas den nya jonpumpen i labbet. Nästa steg är att testa den med celler och

i förlängningen hoppas forskarna att kunna lindra smärta, stoppa epileptiska anfall eller lindra Parkinsons sjukdom, med exakt den dos som behövs och i exakt de celler som berörs. På cellernas eget språk och med cellernas egen hastighet.

Forskningen finansieras av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Vetenskapsrådet och Vinnova.

Chemical delivery array with millisecond neurotransmitter release, Amanda Jonsson, Theresia Arbring Sjöström, Klas Tybrandt, Magnus Berggren, Daniel T Simon, Science Advances 2016, DOI 10.1126/sciadv.1601340

http://advances.sciencemag.org/content/2/11/e1601340