Skræddersyet kulstof kan hjælpe med at behandle neurologiske sygdomme

Tomi Laurilas forskningsemne har mange skæve navne.

"Nanodiamond, nanohorn, nano-løg ..., "angiver Aalto -universitetsprofessoren, fortæller om de mange nano-former af kulstof. Laurila bruger disse former til at bygge nye materialer:små sensorer, kun et par hundrede nanometer på tværs, der kan opnå store ting på grund af deres særlige egenskaber.

For en, sensorerne kan bruges til at forbedre behandlingen af ​​neurologiske tilstande. Det er derfor Laurila, Universitetet i Helsinki Professor Tomi Taira og eksperter fra HUS (Hospital District i Helsinki og Nyland) leder efter måder at bruge sensorerne til at foretage elektrokemiske målinger af biomolekyler. Biomolekyler er f.eks. neurotransmittere såsom glutamat, dopamin og opioider, som bruges af nerveceller til at kommunikere med hinanden.

"De fleste af de lægemidler, der er beregnet til behandling af neurologiske sygdomme, ændrer kommunikationen mellem nerveceller, der er baseret på neurotransmittere. Hvis vi havde realtid og individuelle oplysninger om neurotransmittersystemet, det ville gøre det meget lettere at f.eks. planlægge præcise behandlinger, "forklarer Taira.

På grund af deres lille størrelse, kulstof sensorer kan tages direkte ved siden af ​​en nervecelle, hvor sensorerne vil rapportere, hvilken slags neurotransmitter cellen udsender, og hvilken slags reaktion den fremkalder i andre celler.

"I praksis, vi måler elektronerne, der bevæger sig i oxidations- og reduktionsreaktioner, "Laurila forklarer sensorernes driftsprincip.

"Fordelen ved de sensorer, der er udviklet af Tomi og de andre, er deres hastighed og lille størrelse. Proberne, der bruges i nuværende målemetoder, kan sammenlignes med logs på en cellulær skala - det er umuligt at bruge dem og få en idé om hjernens dynamik, "opsummerer Taira.

Feedback system og hukommelsesspor

For sensorerne, rejsen fra in vitro -test udført i glasfade og reagensglas til in vivo -test og klinisk brug er lang. Imidlertid, forskerne er stærkt motiverede.

"Omkring 165 millioner mennesker lider af forskellige neurologiske sygdomme alene i Europa. Og fordi de er så dyre at behandle, neurologiske sygdomme udgør op til 80 procent af sundhedsudgifterne, ”fortæller Taira.

Tomi Laurila mener, at kulsensorer vil have applikationer inden for områder som optogenetik. Optogenetik er en nyligt udviklet metode, hvor et lysfølsomt molekyle bringes ind i en nervecelle, så cellens elektriske drift derefter kan tændes eller slukkes ved at stimulere den med lys. Et par år siden, viste en gruppe forskere i det videnskabelige tidsskrift Natur at de havde formået at bruge optogenetik til at aktivere et hukommelsesspor, der tidligere var blevet oprettet på grund af læring. Ved hjælp af den samme teknik, forskere var i stand til at påvise, at med en bestemt type Alzheimers, problemet er ikke, at der ikke oprettes hukommelsesspor, men at hjernen ikke kan læse sporene.

"Så sporene findes, og de kan aktiveres ved at booste dem med lette stimuli, "forklarer Taira, men understreger, at en klinisk anvendelse endnu ikke er en realitet. Imidlertid, kliniske anvendelser for andre tilstande kan være tættere på. Et eksempel er Parkinsons sygdom. Ved Parkinsons sygdom, mængden af ​​dopamin begynder at falde i cellerne i en bestemt hjernesektion, som forårsager de typiske symptomer såsom tremor, stivhed og langsom bevægelse. Med sensorerne, niveauet af dopamin kunne overvåges i realtid.

"En slags feedback -system kunne tilsluttes det, så det ville reagere ved at give en elektrisk eller optisk stimulus til cellerne, hvilket igen ville frigive mere dopamin, "forestiller sig Taira.

"En anden applikation, der ville have en øjeblikkelig klinisk anvendelse, er overvågning af bevidstløse og komatiske patienter. Med disse patienter, niveauet af glutamat svinger meget, og for meget glutamat skader nervecellen - online overvågning ville derfor forbedre deres behandling betydeligt.

Atom for atom

Fremstilling af kulsensorer er bestemt ikke en masseproduktionsproces; det er langsomt og omhyggeligt håndværk.

"På dette tidspunkt, sensorerne bygges praktisk talt atom for atom, "opsummerer Tomi Laurila.

"Heldigvis, Vi har mange eksperter på vores egne kulstofmaterialer. For eksempel, professor Esko Kauppinens nanobuds og professor Jari Koskinens kulfilm hjælper med fremstilling af sensorerne. Carbon-based materials are mainly very compatible with the human body, but there is still little information about them. That's why a big part of the work is to go through the electrochemical characterisation that has been done on different forms of carbon."

The sensors are being developed and tested by experts from various fields, such as chemistry, materialevidenskab, modelling, medicine and imaging. Twenty or so articles have been published on the basic properties of the materials. Nu, the challenge is to build them into geometries that are functional in a physiological environment. And taking measurements is not simple, enten.

"Brain tissue is delicate and doesn't appreciate having objects being inserted in it. But if this were easy, someone would've already done it, " conclude the two.