Шведы вырастили органические электроды в головном мозге данио-рерио

Шведские нейробиологи создали гель на основе органического вещества — тиофена, который превращался в биоэлектроды прямо в нервной системе рыбок данио-рерио и пиявок. За счет жидкой консистенции вещество можно было легко ввести в глубокие слои тканей, где активировался каскад реакций для полимеризации геля. В результате биополимер плотно оплетал мембраны клеток, не повреждал их и не отторгался организмом. Статья опубликована в журнале Science. 

Запись электрической активности мозга — важный раздел нейробиологии. Но для получения точных данных недостаточно размещать датчики на коже головы, — лучшие результаты получаются, когда электроды касаются самих нервных клеток. В этом случае перед учеными встает проблема — обычные электроды сделаны из твердых материалов, они могут легко повредить нежную нервную ткань. Кроме того, большинство искусственных материалов отвергаются организмом, — вокруг электродов быстро формируется рубцовая ткань и передача сигналов прекращается. 

Привычные электроды потенциально можно заменить мягкими полимерами — в 2000 году Алан Хигер, Алан Мак-Диармид и Хидеки Сиракава получили нобелевскую премию за открытие электропроводных свойств полимеров (иногда она даже достигает электропроводности металлов). Электропроводность биополимеров, а также их плотность и другие качества, обратимо меняются во время реакций окисления и восстановления.

Магнус Берггрен (Magnus Berggren) и его коллеги из Университета Линчепинга разработали биоэлектроды на основе мономеров тиофена (ETE). В неактивном состоянии это жидкий гель, который легко проникает даже в глубокие слои ткани и может добраться до нейронов, которые раньше были вне зоны доступа. 

Чтобы стать электродом, гель должен был пройти полимеризацию. Для этого ученые решили использовать химическую энергию — локальные реакции окисления. Для этого они добавили в состав геля ферменты-оксидазы, которые продуцируют перекись, и ферменты-пероксидазы, которые соединяют мономеры ETE в электропроводный полимер. Перекись служила акцептором электронов, а собственные глюкоза и лактат организма — катализаторами реакции. В результате полимеризации жидкий гель превращался в сеть вокруг клеток, плотно оплетал клеточную мембрану и проводил электрические сигналы.

Чтобы пронаблюдать за тем, как ETE полимеризуется в живом организме, нейробиологи ввели в плавники альбиносов данио-рерио жидкий гель. В течение нескольких минут можно было наблюдать полимеризацию — появление синих полос в прозрачных плавниках рыбок.

Затем исследователи ввели гель в головной мозг девяти данио-рерио. После инъекции их на трое суток отпустили в аквариум. Все 72 часа наблюдений рыбки чувствовали себя отлично, а значит, гель не был токсичен для мозга и может быть использован для продолжительных измерений. Кроме того, оказалось, что ETE хорошо полимеризуется не только в нервной ткани рыб, но и в мышцах животных — коров, свиней и куриц.

В эксперименте ex vivo электропроводность полимеризованного ETE была 0,25 сименс на сантиметр — что примерно соответствует электропроводности соленой воды. Чтобы оценить работу биоэлектрода in vivo, ETE испытали на пиявках. Гель плотно обволакивал нервное волокно, а при подаче тока 100–300 миллиампер, длительностью в одну миллисекунду и частотой 30 герц в 50-60 процентах случаев происходили четкие движения мышц — что было эквивалентно стандартным электродам из золота.

Таким образом, гель на основе мономеров ETE мог проникать в глубокие слои тканей и создавать плотный контакт с клетками, не повреждая их. Собственные вещества организма запускали каскад реакций, — гель приобретал стабильную форму и становился электропроводным. Биологическая совместимость с тканями и отсутствие токсичности создают высокий потенциал для биоэлектродов в качестве технологии будущего для изучения нейробиологии и лечения нервных болезней.

Биотехнологии с каждым днем расширяют возможности медицины. Немецкие инженеры разработали биоразлагаемые электроды для того, чтобы сделать операции на сердце безопаснее. А в Голландии создали покрытый биполимерами сенсор для измерения уровня глюкозы в слезах.