Künstliche Nervenzellen – fast wie biologische

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M.A. Dirk de Pol, Veröffentlicht am: 16.01.2023, Lesezeit: 5 Minuten

Wissenschaftler der Universität Linköping in Schweden haben ein synthetisches organisches Neuron entwickelt, das echten Nervenzellen sehr ähnlich ist. Dieses synthetische Neuron ist in der Lage, echte Nerven zu stimulieren, was es zu einem potenziell nützlichen medizinischen Hilfsmittel für die Zukunft macht.

Um was geht es bei künstlichen Nervenzellen?

Das Labor für organische Elektronik der Universität Linköping arbeitet an der Entwicklung künstlicher Nervenzellen, die immer nützlicher werden. Durch die Integration eines künstlichen organischen Neurons in eine echte fleischfressende Pflanze konnte ein Forscherteam unter der Leitung des außerordentlichen Professors Simone Fabiano schon im Jahr 2022 zeigen, wie man das Öffnen und Schließen des Mauls der Pflanze steuern kann. Zwei der zwanzig Merkmale, die diese künstliche Nervenzelle von echten Nervenzellen unterscheidet, wurden von ihr erfüllt.

Dieselben Forscher der Universität Linköping haben nun in ihrer jüngsten Studie, die in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht wurde, eine neue künstliche Nervenzelle namens „conductance-based organic electrochemical neuron“, kurz c-OECN, geschaffen. Diese künstliche Nervenzelle ähnelt 15 der 20 neuronalen Merkmale, die biologische Nervenzellen auszeichnen, und ist damit in ihrer Funktionsweise den natürlichen Nervenzellen wesentlich ähnlicher.

Welchen Ansatz verfolgt die Studie zu Nervenzellen?

Die Fähigkeit, eine Ionenmodulation hinzuzufügen, ist, so die Forscher, eines der größten Hindernisse bei der Entwicklung künstlicher Neuronen, die echte biologische Neuronen genau imitieren. Herkömmliche künstliche Neuronen auf Siliziumbasis können viele Aspekte echter Neuronen nachahmen, aber sie können keine Ionen austauschen. c-OECNs hingegen nutzen Ionen, um eine Reihe wichtiger Eigenschaften echter biologischer Neuronen zu zeigen, wie Simone Fabiano, Leiterin der Gruppe Organische Nanoelektronik des Labors für organische Elektronik feststellt.

Das Forscherteam der Universität Linköping war 2018 eines der ersten, das organische elektrochemische Transistoren auf der Grundlage von leitenden Polymeren des n-Typs, d. h. Substanzen, die negative Ladungen kanalisieren können, entwickelt hat. Damit wurden gedruckte komplementäre organische elektrochemische Schaltungen möglich. Seitdem arbeitet das Team daran, diese Transistoren zu optimieren, um sie mit einer Druckmaschine auf eine dünne Kunststofffolie zu drucken. So können nun Tausende von Transistoren auf ein flexibles Substrat gedruckt und zur Herstellung künstlicher Nervenzellen verwendet werden.

Der elektronische Strom, der durch ein n-leitendes Polymer in dem kürzlich geschaffenen künstlichen Neuron fließt, wird durch Ionen gesteuert, was zu Spannungsspitzen in dem Gerät führt. Dieser Prozess ist vergleichbar mit dem, der in natürlichen Nervenzellen abläuft. Die ungewöhnliche Substanz, die zur Herstellung der künstlichen Nervenzelle verwendet wurde, ermöglicht es außerdem, den Strom in einer nahezu perfekten Glockenkurve zu erhöhen und zu verringern, was die Aktivierung und Inaktivierung der biologischen Natriumionenkanäle simuliert.

Zu welchen Ergebnissen gelangt die Studie?

Laut Simone Fabiano zeigen eine Reihe verschiedener Polymere dieses Verhalten, aber nur steife Polymere sind unempfindlich gegen Störungen und ermöglichen eine gleichmäßige Funktion des Geräts.

Die neuartigen c-OECN-Neuronen wurden in Studien, die in Zusammenarbeit mit dem Karolinska-Institut (KI) durchgeführt wurden, an den Vagusnerv der Maus angeschlossen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Herzfrequenz der Mäuse um 4,5 % veränderte, weil das künstliche Neuron ihre Nerven stimulieren konnte. Die Fähigkeit des künstlichen Neurons, den Vagusnerv selbst zu stimulieren, könnte eine langfristige Verwendung in vielen medizinischen Behandlungsarten ermöglichen. Der Vagusnerv wiederum spielt eine entscheidende Rolle, beispielsweise für das Immunsystem und den Stoffwechsel des Körpers, während organische Halbleiter im Allgemeinen den Vorteil haben, biokompatibel, flexibel und biegsam zu sein.

Als nächstes müssen die Wissenschaftler den Energieverbrauch der künstlichen Neuronen senken, der immer noch weit über dem der menschlichen Nervenzellen liegt. Es wird viel Aufwand erfordern, die Natur künstlich nachzubilden.

Thematische verwandte Studien

Es wurden bereits mehrere Studien zu künstlichen Nervenzellen durchgeführt. Hier ein kurzer Überblick über die wichtigsten davon.

Living artificial nerve tissue restores function in preclinical nerve injury model ScieneDirect 2021. Forscher am UCL School of Pharmacy demonstrierten ein lebendes künstliches Nervengewebe, das die Funktion in einem präklinischen Nervenverletzungsmodell wiederherstellt.

Kamal Abu-Hassan et al. Optimal solid state neurons, Nature Communications (2019). Eine Studie zur Anwendung künstlicher Nervenzellen bei chronischen Erkrankungen wurde durch das Projekt CResPace (Adaptive Bio-electronics for Chronic Cardiorespiratory Disease) unterstützt, das im Dezember 2021 endete.

Revisiting astrocyte to neuron conversion with lineage tracing in vivo. Cell 2021 UT Southwestern Stammzellwissenschaftler fanden heraus, dass eine stringente Abstammungsverfolgung entscheidend für Studien zur Nervenzellregeneration ist, und ihre Ergebnisse wurden 2021 in Cell veröffentlicht. Sie schlagen vor, dass frühere Studien, die über auffällige Regenerationsergebnisse berichten, überprüft werden müssen.

Axonal generation of amyloid-β from palmitoylated APP in mitochondria-associated endoplasmic reticulum membranes. Cell 2021 Eine im Mai 2021 vom Massachusetts General Hospital veröffentlichte Studie löste das Rätsel, wie sich Amyloid-Beta in Gehirnnervenzellen bildet, und enthüllte, dass ein Schlüsselprotein geschnitten werden muss, um Amyloid-Beta zu erzeugen.

Quellen

Materials provided by Linköping University 2023. Mikael Sönne.

Ion-tunable antiambipolarity in mixed ion–electron conducting polymers enables biorealistic organic electrochemical neurons. Padinhare Cholakkal Harikesh, Chi-Yuan Yang, Han-Yan Wu et al.  Nature Materials, 2023. 10.1038/s41563-022-01450-8

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