Ein Gel-Cocktail nutzt den Zucker des Körpers, um Elektroden in lebenden Fischen „wachsen zu lassen“.

Ein neues injizierbares Gel (im Bild) kann mit dem Zucker des Körpers reagieren, um eine Elektrode im lebenden Gewebe „wachsen zu lassen“, wie eine Studie an Zebrafischen zeigt.

THOR BALKHED

Von Simon Makin

23. Februar 2023 um 16:25 Uhr

Zum ersten Mal haben Forscher die körpereigene Chemie genutzt, um Elektroden im Gewebe lebender Fische „wachsen zu lassen“, wodurch die Grenze zwischen Biologie und Maschinen verwischt wird.

Die Technik nutzt den Zucker des Körpers, um ein injiziertes Gel in eine flexible Elektrode umzuwandeln, ohne das Gewebe zu schädigen, wie Experimente zeigen. Zebrafische mit diesen Elektroden, die in ihren Gehirnen, Herzen und Schwanzflossen eingewachsen waren, zeigten keine Anzeichen von negativen Auswirkungen, und diejenigen, die an Blutegeln getestet wurden, stimulierten erfolgreich einen Nerv, berichten Forscher in der Zeitschrift „Science“ vom 24. Februar.

Eines Tages könnten diese Elektroden für Anwendungen nützlich sein, die von der Untersuchung der Funktionsweise biologischer Systeme bis zur Verbesserung der Mensch-Maschine-Schnittstellen reichen. Sie könnten auch in der „bioelektronischen Medizin“ eingesetzt werden, beispielsweise bei Hirnstimulationstherapien bei Depressionen, Parkinson und anderen Erkrankungen (SN: 10.02.19).

Soft Electronics zielt darauf ab, die Lücke zwischen weicher, kurviger Biologie und elektronischer Hardware zu schließen. Aber diese Elektronik muss in der Regel immer noch bestimmte Teile enthalten, die anfällig für Risse und andere Probleme sein können, und das Einsetzen dieser Geräte führt unweigerlich zu Gewebeschäden.

„Alle Geräte, die wir hergestellt haben, obwohl wir sie flexibel gemacht haben, um sie weicher zu machen, werden bei der Einführung immer noch eine Narbe hinterlassen.“ Es ist, als würde man ein Messer in das Organ stechen“, sagt Magnus Berggren, Materialwissenschaftler an der Universität Linköping in Schweden. Diese Narbenbildung und Entzündungen können mit der Zeit die Leistung der Elektrode beeinträchtigen.

Frühere Versuche, weiche Elektronik im Gewebe zu züchten, haben Nachteile. Ein Ansatz nutzt elektrische oder chemische Signale, um die Umwandlung von der chemischen Suppe in leitende Elektroden voranzutreiben, aber diese Stromstöße verursachen auch Schäden. Eine Studie aus dem Jahr 2020 umging dieses Problem, indem sie Zellen in Würmern genetisch veränderte, um ein manipuliertes Enzym zu produzieren, das diese Aufgabe erledigt, aber die neue Methode erzielt ihre Ergebnisse ohne genetische Veränderungen.

Die Elektroden von Berggren und Kollegen nutzen stattdessen eine natürliche Energiequelle, die bereits im Körper vorhanden ist: Zucker. Der Gelcocktail enthält Moleküle, sogenannte Oxidasen, die mit den Zuckern – Glukose oder Laktat – reagieren und Wasserstoffperoxid produzieren. Dadurch wird dann ein weiterer Bestandteil des Cocktails aktiviert, ein Enzym namens Wasserstoffperoxidase, das als Katalysator für die Umwandlung des Gels in eine leitende Elektrode dient.

„Der Ansatz nutzt elegante Chemie, um viele der technischen Herausforderungen zu meistern“, sagt der Biomediziningenieur Christopher Bettinger von der Carnegie Mellon University in Pittsburgh, der nicht an der Studie beteiligt war.

Um die Technik zu testen, injizierten die Forscher den Cocktail in die Gehirne, Herzen und Schwanzflossen von durchsichtigen Zebrafischen. Das Gel wird blau, wenn es leitfähig wird, was eine visuelle Anzeige des Erfolgs ermöglicht.

„Das Schöne ist, dass man es sehen kann: Der Schwanz der Zebrafische ändert seine Farbe, und wir wissen, dass Blau auf ein leitendes Polymer hinweist“, sagt der Materialwissenschaftler Xenofon Strakosas, ebenfalls von der Universität Linköping. „Als ich es zum ersten Mal sah, dachte ich: ‚Wow, es funktioniert wirklich!‘“

Der Fisch schien keine negativen Auswirkungen zu haben, und die Forscher sahen keine Anzeichen einer Gewebeschädigung. Bei teilweise sezierten Blutegeln zeigte das Team, dass die Abgabe von Strom an einen Nerv über eine weiche Elektrode Muskelkontraktionen auslösen kann. Letztendlich könnten solche Geräte mit verschiedenen in der Entwicklung befindlichen drahtlosen Technologien gekoppelt werden.

Die langfristige Implantatleistung muss jedoch noch ermittelt werden. „Die Demonstrationen sind beeindruckend“, sagt Bettinger. „Abzuwarten bleibt die Stabilität der Elektrode.“ Im Laufe der Zeit könnten Substanzen im Körper mit den Elektrodenmaterialien reagieren, diese abbauen oder sogar giftige Substanzen produzieren.

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Das Team muss noch verfeinern, wie genau die Elektroden Nerven stimulieren können, sagt der Chemieingenieur Zhenan Bao von der Stanford University, der nicht an der Arbeit beteiligt war. Sie und Kollegen entwickelten die Möglichkeit, elektrische Komponenten mithilfe genetischer Veränderungen zu „züchten“. Es sei wichtig, sicherzustellen, dass die Stimulation dort konzentriert wird, wo sie für eine Behandlung benötigt wird, und gleichzeitig zu verhindern, dass Strom in unerwünschte Regionen abfließt, sagt sie.

In der neuen Studie bestimmt die relative Häufigkeit verschiedener Zucker in verschiedenen Geweben genau, wo sich Elektroden bilden. Aber in Zukunft könnte ein Bestandteil des Hauptbestandteils durch Elemente ersetzt werden, die an bestimmte Teile der Biologie gebunden sind, um das Zielen viel präziser zu machen, sagt Berggren. „Wir führen gerade Experimente durch, bei denen wir versuchen, diese Materialien direkt an einzelne Zellen zu binden.“ Strakosas bemerkt: „Es gibt einige Anwendungen, bei denen Präzision wirklich wichtig ist; Da müssen wir uns anstrengen.“

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Eine Version dieses Artikels erscheint in der Science News-Ausgabe vom 25. März 2023.

X. Strakosas et al. Metaboliteninduzierte In-vivo-Herstellung substratfreier organischer Bioelektronik. Wissenschaft. Bd. 379, 24. Februar 2023, S. 795. doi: 10.1126/science.adc9998.

J. Liu et al. Genetisch gezielter chemischer Aufbau funktioneller Materialien in lebenden Zellen, Geweben und Tieren. Wissenschaft. Bd. 367, 20. März 2020, S. 1372. doi: 10.1126/science.aay4866.

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