Lokalizirana stimulacija neurona na siguran i učinkovit način važna je u istraživanjima kao i za terapijske svrhe. Trenutno dostupna rješenja utemeljena na mikro- i nano-elektrodama, kao i na platformama za dostavu iona za električnu komunikaciju s neuronima dovela su do bioelektroničkih terapija, te otvorila novi prozor istraživanja u neuro-znanostima. Bitno ograničenje ovoga pristupa je potreba dovođenja električnog signala žicama do elektroda na mjestu neurostimulacije. Motivacija za bežičnim pristupom do mjesta stimulacije dovela je do optogenetičkih pristupa, za što je nužno genetski modificirati ciljane neurone za ekspresiju svjetlosno osjetljivih ionskih kanala. Konvencionalni pristupi rješavanju problema bežičnog dovođenja signala koji ne uključuje genetsku modifikaciju uključuju foto-električnu stimulaciju u kojoj su silicijeve sunčeve ćelije mikrometarskih dimenzija vezane sa elektrodama za pobudu neurona. Ova rješenja koriste se u kliničkoj primjeni kao umjetne mrežnice koje se ugrađuju slijepim pacijentima sa oštećenim fotoreceptorima u mrežnici.
Elektroda za izravnu fotokapacitivnu stimulaciju a) i d) raspodjela električnog potencijala oko elektrode izrađene od b) organskih pigmenata p-tima (H2PC) i n-tipa (PTCDI). c) Energijski dijagram elektrode, e) shematski prikaz rada elektrode.
Novi pristup električnoj pobudi neurona dolazi iz Laboratorija za organsku elektroniku sa Sveučilišta u Linköpingu u Švedskoj. Znanstvenici u grupi prof.dr. Erica Glowackog, u kojoj kao poslijedoktorand sudjeluje i član CEMS-a Vedran Đerek, predstavili su novi pristup foto-električnoj pobudi neurona kod koje se koriste tanki slojevi organskih poluvodiča – jeftinih pigmenata kakvi se koriste u kozmetici i industriji boja (Advanced Materials, https://doi.org/10.1002/adma.201707292). Ovi pigmenti predstavljaju razred novih funkcionalnih materijala koji su stabilni u fiziološkim uvjetima, pa ih nije potrebno zaštititi od utjecaja vode enkapsulacijom. Priroda pobude u potpunosti je kapacitivna, što znači da aktivni materijali – pigmenti – ne sudjeluju u kemijskim reakcijama tijekom pobude, stoga je uređaj trajan i ne može unijeti štetne tvari u organizam. Princip rada pokazali su suradnici iz grupe dr. Hanein iz Izraela na modelu slijepih pilećih mrežnica, gdje je in-vitro demonstrirana neurostimulacija neurona mrežnice.
Za izračun trodimenzionalne distribucije električnog potencijala oko foto-kapacitivne pobudne elektrode korišten je softverski paket Robin Hood Solver, što je omogućio jedan od autora paketa, Ruđerovac dr. Predrag Lazić. Uspješan iskorak CEMS-a u bioelektroničkom smjeru uz upotrebu novih funkcionalnih materijala može biti motivacija za buduća istraživanja u kojim bi bilo moguće koristiti i do sada razvijene i istraživane materijale u okvirima CEMS-a.
Foto: Thor Balkhed, LiU
Ilustracija preuzeta iz članka (https://doi.org/10.1002/adma.201707292).