Φανταστείτε πως εισάγετε μια ουσία μέσα σε έναν οργανισμό και εκείνη, εκμεταλλευόμενη μόνο τη χημεία του σώματος, αυτό-μεταμορφώνεται σε ένα στερεό αλλά εύκαμπτο αγώγιμο πολυμερές υλικό, που είναι μη τοξικό και βιοσυμβατό.
Ο Δρ. Ξενοφών Στρακόσας με την ερευνητική του ομάδα στο Εργαστήριο Οργανικών Ηλεκτρονικών, του Σουηδικού πανεπιστημίου Linköping ωστόσο, όχι μόνο το φαντάστηκε, αλλά το υλοποίησε κιόλας.
Εγχέοντας όχι μια μεμονωμένη ουσία αλλά ένα κοκτέιλ μορίων που μετατρέπονται σε ένα ηλεκτρικά αγώγιμο τζελ, οι ερευνητές κατάφεραν να δημιουργήσουν βιοηλεκτρονικά (ηλεκτρόδια) μέσα σε ζωντανό ιστό, χωρίς να του προκαλέσουν βλάβη! Και είναι οι πρώτοι στον κόσμο που το πέτυχαν.
Και αυτό είναι είδηση!
Αυτά συζητάμε τηλεφωνικά με τον Έλληνα φυσικό και Επίκουρο Καθηγητή στο πανεπιστήμιο Linköping, ο οποίος μετά από σπουδές στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο της Θεσσαλονίκης και στο Ecole des Mines de Saint-Etienne στη Γαλλία, με εξειδίκευση στη νανοτεχνολογία και στη μικροηλεκτρονική και με μεταδιδακτορική έρευνα στα σουηδικά Πανεπιστήμια Linköping, και Lund, σήμερα συνεχίζει να διενεργεί έρευνα στο Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας του Linköping.
«Τα ίδια τα ενδογενή μόρια του σώματος κατάφεραν να πυροδοτήσουν τον σχηματισμό των ηλεκτροδίων χωρίς να χρειάζεται κάποια γενετική τροποποίηση ή ηλεκτρική διέγερση εξωτερικά, κάτι που ήταν αναγκαίο σε προηγούμενα πειράματα», μου λέει ο δρ. Στρακόσας, τα αποτελέσματα της έρευνας του οποίου δημοσιεύθηκαν στο έγκριτο περιοδικό Science, ενώ το περιοδικό Physics world την πρότεινε ως μια από τις 10 μεγαλύτερες ανακαλύψεις του έτους 2023.
Σύμφωνα με τον Έλληνα επιστήμονα, η πρωτοποριακή αυτή τεχνική για την ανάπτυξη ηλεκτροδίων μέσα σε ζωντανό ιστό με την εκμετάλλευση χημικών μορίων του ίδιου του ιστού ανοίγει μεγάλες προοπτικές για τις εμφυτεύσιμες συσκευές.
Ειδικά στη χρήση συστημάτων διεπαφής εγκεφάλου - υπολογιστή δημιουργείται μια σύνδεση μεταξύ του ηλεκτροδίου και του νευρικού ιστού χωρίς να επηρεάζεται το νεύρο, γεγονός που καθιστά την τεχνική ασφαλέστερη και πιο αξιόπιστη για ανίχνευση και παρακολούθηση ηλεκτρικού σήματος.
Η καινοτόμος τεχνολογία του δρα. Στρακόσα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μελλοντικά στη «βιοηλεκτρονική ιατρική», όπως σε θεραπείες εγκεφαλικής διέγερσης για την επιληψία, τη νόσο του Πάρκινσον και σε άλλες καταστάσεις ή ακόμη να βοηθήσει στην «καλλιέργεια» μικροτσίπ σε ζωντανό ιστό στο μέλλον.
«Θολώνοντας» το κενό μεταξύ βιολογίας και ηλεκτρονικής μηχανικής
Ο Έλληνας επιστήμονας ήταν ο πρώτος που είχε την έμπνευση να αξιοποιήσει μαζί με την ομάδα του τη χημεία των ίδιων των κυττάρων για να «αναπτύξει» ηλεκτρόδια μέσα σε ζωντανούς ιστούς, χωρίς να τους προκαλέσει βλάβη, «θολώνοντας» έτσι το
κενό μεταξύ βιολογίας και ηλεκτρονικής μηχανικής.
Πώς το κατάφερε; Η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε ένα κοκτέιλ από πρόδρομες ουσίες - μονομερή (δομικά στοιχεία που απαιτούνται για την κατασκευή μακριών αλυσίδων πολυμερών), καθώς και από μια σειρά διαφορετικών ενζύμων. Όταν το κοκτέιλ εγχέεται στον ζωντανό ιστό, τα ένζυμα του αρχίζουν να διασπούν τα σάκχαρα του ιστού και να οδηγούν τα μονομερή τους στον σχηματισμό μακριών αλυσίδων πολυμερών.
Από τη διαδικασία προκύπτει ένα πήκτωμα (τζέλ) που είναι σημαντικά πιο αγώγιμο ηλεκτρικά από τον περιβάλλοντα ιστό και το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποστολή σημάτων καθώς και για την ανίχνευση της δραστηριότητας των νευρώνων (να σημειωθεί ότι πριν από την έγχυση, το κοκτέιλ δεν είναι ηλεκτρικά αγώγιμο).
Για να δοκιμάσουν την τεχνική τους, οι ερευνητές έκαναν ένεση με το κοκτέιλ τους στους εγκεφάλους, τις καρδιές και τα πτερύγια της ουράς ενός διαφανούς ψαριού «ζέβρα», αλλά και σε βδέλλες. Το τζελ που προέκυψε δεν επηρέασε την ικανότητα των ψαριών να συνεχίσουν κανονικά τις λειτουργίες τους.
Μάλιστα, άλλαξε το χρώμα τους σε μπλε όταν έγιναν αγώγιμα, επιβεβαιώνοντας οπτικά την επιτυχία της τεχνικής. «Το ωραίο είναι ότι μπορείς να το δεις. Η ουρά των ψαριών αλλάζει χρώμα υποδηλώνοντας ότι έγινε ένα αγώγιμο πολυμερές», λέει ο Ξενοφών Στρακόσας.
Τα ψάρια δεν φάνηκαν να επηρεάζονται αρνητικά και οι ερευνητές δεν διαπίστωσαν ίχνη βλάβης στους ιστούς. Σε μερικώς τεμαχισμένες βδέλλες, η ομάδα έδειξε ότι η παροχή ρεύματος σε ένα νεύρο μέσω ενός τέτοιου μαλακού ηλεκτροδίου θα μπορούσε να προκαλέσει μυϊκές συσπάσεις, υποδηλώνοντας πως συσκευές όπως αυτή θα μπορούσαν να συνδυαστούν με διάφορες ασύρματες τεχνολογίες.
«Ουσιαστικά καταφέραμε να “καλλιεργήσουμε” ηλεκτρόδια μέσα σε ιστούς ζώων, παρακάμπτοντας την ανάγκη για άκαμπτο ηλεκτρονικό υπόστρωμα.
Η επαφή με τις ουσίες του σώματος αλλάζει τη δομή του τζελ και το καθιστά καλό αγωγό του ηλεκτρισμού, κάτι που δεν ίσχυε πριν την έγχυση. Ανάλογα με τον ιστό, μπορούμε να προσαρμόσουμε κατάλληλα τη σύνθεση του τζελ, έτσι ώστε να ελέγχουμε το σημείο μέσα στον ιστό όπου θα μετατραπεί σε ηλεκτρόδιο.
Με άλλα λόγια, το επόμενο βήμα είναι να καταφέρουμε ελεγχόμενο πολυμερισμό σε διάφορα σημεία του εγκεφάλου και συγκεκριμένα εκεί όπου υπάρχει δυσλειτουργία.
Επί του παρόντος μελετάμε και τις πιθανές μακράς διάρκειας επιπτώσεις που μπορεί να έχουν τα τζελ στον εγκέφαλο ποντικών», εξηγεί ο δρ. Στρακόσας.
Μια «game changer» τεχνολογία για το μέλλον των εμφυτεύσιμων συσκευών
Η ιδέα της εμφύτευσης συσκευών στο σώμα είναι σχεδόν τόσο παλιά όσο και η ιδέα της ρομποτικής και της τεχνητής νοημοσύνης, με πολλές ιστορίες επιστημονικής φαντασίας να διαιωνίζουν το σενάριο ότι οι άνθρωποι του μέλλοντος θα φέρουν ενσωματωμένα όλων των ειδών τα μικροτσίπ.
Ωστόσο και σύμφωνα με τον Δρα. Στρακόσα, παρά την τεράστια πρόοδο στο πεδίο των εμφυτεύσιμων συσκευών, οι περισσότερες εξακολουθούν να είναι περιορισμένης λειτουργικότητας και αυτό οφείλεται στην εξαιρετική πολυπλοκότητα της ανθρώπινης βιολογίας, στα σχετικά σκληρά υλικά των ηλεκτρονικών σε σύγκριση με τον ζωντανό ιστό, στη δυσκολία εμφύτευσής τους εξαιτίας του κινδύνου απόρριψής τους από το ανοσοποιητικό σύστημα και γενικά στην ευαισθησία κάθε ζωντανού ιστού σε ξένα αντικείμενα.
Ως εκ τούτου, οι μηχανικοί που σχεδιάζουν ηλεκτρονικά για εμφύτευση πρέπει να είναι προσεκτικοί όταν επιλέγουν τα υλικά που χρησιμοποιούν και τον τρόπο εμφύτευσής τους.
Η άλλη πρόκληση που αντιμετωπίζουν σήμερα οι μηχανικοί όταν εμφυτεύουν συσκευές είναι οι συνδέσεις με τους νευρώνες.
Η άμεση πρόσβαση στους νευρώνες επιτρέπει τη συνεχή μεταφορά σημάτων από ηλεκτρονικά κυκλώματα στο νευρικό σύστημα, αλλά τα νεύρα είναι απίστευτα ευαίσθητα και με την εμφύτευση ηλεκτροδίων μπορεί να υποστούν μόνιμη βλάβη.
Ακόμα όμως και αν τα ίδια τα νεύρα δεν επηρεαστούν, ο ουλώδης ιστός και η φλεγμονή που μπορεί να εμφανιστούν στο περιβάλλον τους εξαιτίας της ανοσολογικής απόκρισης του εγκεφάλου μπορεί να υποβαθμίσουν την απόδοση των ηλεκτροδίων με την πάροδο του χρόνου.
Μια τεχνολογία, όπως αυτή που ανέπτυξε ο Έλληνας επιστήμονας θα μπορούσε να αλλάξει το παιχνίδι στον τομέα των εμφυτεύσιμων ηλεκτρονικών. «Χρησιμοποιώντας τη βιολογία για την ανάπτυξη ηλεκτροδίων, ο ζωντανός ιστός παραμένει ανεπηρέαστος, κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, από διεισδυτικές βελόνες, καλώδια ή άλλες συσκευές που διαφορετικά θα προκαλούσαν βλάβη.
Ταυτόχρονα, τα μαλακά αγώγιμα πηκτώματα-ηλεκτρόδια μπορούν να κινούνται οργανικά με τον ιστό, ιδιότητα που τα καθιστά εξαιρετικά ιδανικά για χρήση σε εφαρμογές που σχετίζονται με μηχανική κίνηση, όπως σε αρθρώσεις και μύες», σημειώνει ο Δρ. Στρακόσας.
Εάν η ομάδα του Έλληνα φυσικού καταφέρει να κατευθύνει και να ελέγξει την ανάπτυξη των ηλεκτροδίων, θα μπορέσει με ένα μόνο εγχεόμενο διάλυμα να χαρτογραφήσει με ακρίβεια ένα νευρικό σύστημα και να υποδείξει σημεία πρόσβασης από εξωτερικές συσκευές.
Έτσι μπορεί να γίνει δυνατή η αποκατάσταση της κίνησης σε όσους έχουν παραλύσει, είτε με άμεση επισκευή των νεύρων, είτε με τη χρήση τεχνητών συστημάτων για να ξεπεράσουν τη λειτουργία των νεύρων.
Τα καλλιεργούμενα στο εγκέφαλο ηλεκτρόδια μπορεί ακόμη και να χρησιμοποιηθούν για την καλύτερη κατανόηση της λειτουργίας κάθε περιοχής του εγκεφάλου και την κατάλληλη θεραπευτική διαχείρισή του.
Οι επιστήμονες διερευνούν επίσης χημικές ουσίες που θα μπορούσαν να καθοδηγήσουν μοριακά δομικά στοιχεία σε συγκεκριμένα σημεία του νευρικού συστήματος σε μια προσπάθεια να δημιουργήσουν εξαρτήματα και ακόμη και κυκλώματα.
Στο μεταξύ όμως, θα πρέπει να ξεπεραστούν διάφορα πρακτικά προβλήματα, προτού η νέα ουσία δοκιμαστεί σε ανθρώπους, καθώς π.χ. το πολυμερές μέσα στο σώμα είναι μεν άκρως καλός αγωγός του ηλεκτρισμού, αλλά δεν έχει βρεθεί ακόμη τρόπος να
συνδεθεί με μια εξωτερική πηγή.
Χρειάζονται περαιτέρω μελέτες για την ασφάλεια και τη σταθερότητα της τεχνολογίας σε βάθος χρόνου για να προσδιοριστεί κατά πόσο αυτή είναι δυνατό να ενσωματωθεί χωρίς πρόβλημα σε ανθρώπους για μεγάλα χρονικά διαστήματα.
Αν όντως δοθεί το πράσινο φως, τότε οποιοσδήποτε ζωντανός ιστός θα μπορεί ουσιαστικά να μετατραπεί σε «ηλεκτρονικό», αποδεικνύοντας πως το «πάντρεμα» της έμβιας με την άβια ύλη, που είναι μια εξέλιξη στα όρια της επιστημονικής φαντασίας, είναι εφικτό.
