Frekvenca X

Bioelektronika bo nadgradnja človeka

Biosenzorji bodo nadzirali delovanje organov, zdravila pa bo zamenjal električni tok

Možgani
foto: A Health blog

Ob skokovitem razvoju elektronike in napredku v biologiji znanstveniki in tehnologi zadnja leta vse bolj razmišljajo, kako bi lahko ustvarili čim večjo sinergijo med elektronskimi napravami in telesom. V naslednjem desetletju bi lahko z združitvijo elektronskih naprav in biologije na primer povrnili vid ali pozdravili poškodbe hrbtenjače, z mikročipi pa opravljali hitre diagnoze.

Bioelektronika ima možnost, da vpliva na številna področja našega življenja, od medicine do državne varnosti, forenzike in varstva okolja. Vse to omogočata nenehna miniaturizacija elektronskih naprav in vse večje razumevanje delovanja bioloških sistemov na celični in molekularni ravni. Seveda elektronske naprave že nekaj rodov povzročajo revolucijo v biologiji in medicini. Že pred sto leti je bil razvit elektrokardiograf, s katerim je mogoče rutinsko preverjati električno aktivnost srca, za njim pa še diagnostične naprave, kot so slikanje z magnetno resonanco in pozitronska emisijska tomografija.

Razviti so bili tudi srčni spodbujevalniki in slušni aparati, nevroznanstveniki pa so izdelali elektrode, ki jih nevrokirurgi vstavljajo globoko v možgane za zdravljenje Parkinsonove bolezni in depresije. Ob vsem tem napredku pa raziskovalci verjamejo, da lahko prihodnost prinese še veliko več. Tako razvijajo mikrodiagnostične naprave ali t. i. laboratorije na čipu, s katerimi bi bilo mogoče kjer koli hitro in preprosto diagnosticirati različne bolezni ali ravni spojin v telesu, na primer glukozo pri ljudeh z diabetesom. Seveda razmišljajo tudi o tem, da bi take naprave lahko vsadili v telo, vendar se postavlja vprašanje obstojnosti takih elektronskih naprav v živem telesu.

Eno najbolj vročih področij v območju bioelektronike so trenutno t. i. elektrocevtiki oziroma elektronska zdravila. V ozadju je želja, da bi razvili naprave, ki bi z električnimi signali vplivale na določena živčna omrežja v telesu, ki so vpletena v različne bolezni. Raziskave v zadnjih letih so namreč presenetljivo pokazale, da ima živčni sistem pri številnih bolezenskih stanjih veliko večjo vlogo, kot so zdravniki do zdaj verjeli.

To je sicer po svoje logično, saj tako rekoč vse organe in funkcije v telesu na neki način nadzoruje naš živčni sistem ob pomoči kompleksne mreže nevronov, ki med seboj komunicirajo z električnimi signali. Zato je teoretično mogoče, da določene bolezni pozdravimo tako, da z elektrodami vplivamo na delovanje nevronov, ki vplivajo na delovanje organov in tkiv, tako da ti spet začnejo normalno delovati.

Začetni eksperimenti že kažejo, da je to mogoče – tako so na primer ameriški znanstveniki dokazali, da lahko z električno stimulacijo živca vagus zdravijo revmatoidni artritis, ki je avtoimunska bolezen in na prvi pogled nima nič skupnega z živčnim sistemom. Znanstveniki zdaj spoznavajo, da bi lahko z električno stimulacijo ob pomoči vsajenih elektrod zdravili številne bolezni, ki so bila do zdaj domena zdravil. Med te sodijo revmatoidni artritis, astma, diabetes, epilepsija in želodčne težave.

V naslednjem desetletju ali dveh bi lahko elektronski vsadki nadomestili številna zdravila, ki so danes v splošni uporabi. Vendar pa na elektronski način ne bi bilo mogoče zdraviti infekcijskih bolezni, ker bakterije in virusi, ki jih povzročajo, niso neposredno povezani z našim živčnim sistemom. Prav tako ne bi mogli neposredno zdraviti raka. Pri razvoju elektrocevtikov je še posebno dejaven farmacevtski velikan GlaxoSmithKline; na začetku tega leta je ponudil milijon dolarjev nagrade znanstveniku, ki bo našel in rešil največjo oviro pri razvoju elektrocevtikov.

In medtem ko nekateri razmišljajo, kako z elektronskimi napravami čim bolje odkriti in pozdraviti bolezni, se na drugi strani seveda najdejo tudi taki, ki razmišljajo, kako bi lahko z elektroniko izpopolnili telo, da bi bilo še boljše. Vstavljanje novih čutov, kot je na primer senzor za magnetno polje in izboljšanje spomina, pomeni samo dve od potencialnih izboljšav, ki že sprožajo polemike. Vsekakor lahko rečemo, da je bioelektronika v popolnem razmahu, lahko se samo pustimo presenetiti.

Intervju – Dr, Stewart Smith, Univerza v Edinbourghu

Dr. Stewart Smith, nam lahko na kratko opišete napredek s področja bioelektronike v minulih letih. Ali je prav, če govorimo o obliki zdravljenja, ki namesto zdravil uvaja naprave?

Takšen bi bil opis področja bioelektronike, ki se imenuje elektricija, kot nasprotje farmacije. Ideja je, da na živčni sistem vplivate z električnim tokom. Bioelektronika pa je nekoliko širši pojem. Gre za idejo uporabe elektronskih naprav v biologiji oziroma medicini. Najnovejši so poskusi, da bi vplivali na živčni sistem, na primer spodbudili možgane, da bi zdravili Parkinsonovo bolezen. Elektrode bi lahko ustavile tresavico. Poznamo že tudi biosenzorje, ki jih lahko vgradimo v telo, in na tem področju je znanost vse uspešnejša. Seveda so tudi ovire, ki jih bo morala medicina še premagati. Za zdaj je za takšne biosenzorje še vedno potrebna operacija, kar utegne biti resna težava, če ne bomo znali rešiti odpornosti proti antibiotikom.

Katere pa so ta hip najobetavnejše tehnike oziroma področja bioelektronike?

Rešitve bioelektronike uporabljamo za neposreden vpliv na celice. Radi bi razumeli biologijo najbolj osnovnih procesov celic. V delovanju celic iščemo značilnosti z uporabo elektronskih mikrosistemov. V medicini je še kup navdušujočih uporab, še posebno na področju zaznavanja. Radi bi zamenjali klasične merilnike glukoze v krvi za senzorje, ko moramo človeku najprej vzeti kri. Namesto tega bi radi glukozo izmerili s senzorji v telesu. Raziskujemo tudi možnosti uporabe senzorjev za zdravljenje raka. Razvoj je še na začetku, a želimo si, da bi elektronski senzorji zaznali, kaj se dogaja v rakavem tumorju. Te informacije bi nato zdravnik uporabil, da bi razumel biologijo tumorja in vedel, kako se na primer odziva na obsevanje. Ali rakave celice odmirajo ali ne. Hkrati bi bila ta informacija uporabna, da bi zdravnik zagotovo vedel, katera oblika zdravljenja je najprimernejša in kdaj.

Omenjate biosenzorje, ki so del bioelektronike. Kateri so ta hip najnaprednejši? Takšni, ki jih vstavimo v telo, niso nekaj čisto novega, je pa res, da tehnologija napreduje.

Da, resnično napreduje. Poskuša se denimo vstaviti senzorje v kontaktne leče. Podjetje Google tako razvija senzor za glukozo, ki bi ga vstavili v kontaktno lečo. A to je edini razvoj, ki navdušuje. Na lečo bi lahko vgradili še druge senzorje. Ljudi, ki jim grozi izguba vida, čaka boleče zdravljenje z injekcijami neposredno v oko. Mi pa razvijamo vsadke, ki bi lahko sami sproščali zdravila v oko. Biosenzorji torej niso nova ideja, velik izziv pa je, kako jih izboljšati. Problematično je že njihovo trajanje v telesu. Rok uporabe je zdaj največ mesec dni.

Torej je še veliko prostora za izboljšave. Nekateri razlagajo, da je bioelektronika priložnost za izboljšanje delovanja našega telesa. Ali bomo v prihodnosti nadgradili človeka z elektroniko? Ali je to že bolj področje elektrocevtike? 

Izraz elektrocevtik je skovalo podjetje GlaxoSmithKline, ki financira raziskave. Verjamejo, da bi namesto uporabe zdravil na živčni sistem vplivali neposredno in tako nadzirali telo. Pri sladkorni bolezni to pomeni, da bi neposredno vplivali na živčni sistem in nadzorovali delovanje trebušne slinavke. Če govorimo o nadgradnji telesa, pa to pomeni dodajanje novih senzorjev. Nekateri delajo zanimive poskuse, ko si dodajajo čut za magnetno polje. Pod kožo si vsadijo magnete. Lahko si predstavljamo, da bi s senzorji nadgradili tudi vid. Nekateri menijo, da tudi spomin. Na živalih to raziskujejo. Zanimivi so tudi poskusi, pri katerih ljudje merijo svojo možgansko aktivnost in informacijo o tem pošljejo drugemu človeku, ki na podlagi teh signalov nekako “na slepo” izvaja ukaze oziroma igra računalniško igro. Tu bi šlo za neposredno komunikacijo med možgani. Morda je to prihodnost.

Vzemiva nevroznanost za še en primer. Bral sem, da je možno delovanje možganov izboljšati z dovajanjem toka 2 miliamperov. Nekateri to uporabljajo za boljše učenje, koncentracijo ali zdravljenje depresije. Je to prihodnost in ali je varna?

Na področju lajšanja bolečine to že obstaja, ko na živčni sistem vplivate prek kože. Z globoko možgansko stimulacijo zdravimo motnje pri Parkinsonovi bolezni. Prepričan sem, da se uporablja tudi za zdravljenje depresije, če je organskega izvora, na katerega lahko vplivamo. A pot do učinkovitega zdravljenja bo še dolga. Srečujemo se z učinki, ki jih imajo zdravila. Na primer, da po dovajanju električne stimulacije ta izgubi učinek in bi morali intenzivnost povečevati. Veliko se moramo še naučiti o živčnem sistemu, preden se posvetimo tovrstnemu zdravljenju. Za to si prizadeva veliko ljudi.

Ali bi to bil tudi primer elektrocevtike. Je prav, če rečem, da je to nov koncept v bioelektroniki. Kaj bi bila dobra definicija?

Pri elektrocevtikih gre za neposredno vplivanje na živčni sistem, da bi uravnavali telesne funkcije. Živčni sistem skrbi, da vse v telesu poteka tako, kot mora. Srčni spodbujevalnik je dober primer. Z neposredno električno stimulacijo skrbi, da srce deluje pravilno. V prihodnosti bo tega več. Sodelujem v raziskavi, pri kateri preučujemo uporabo električne stimulacije pri zdravljenju ran. Znano je, da imajo električna polja učinek na premikanje celic in celjenje ran in mogoče lahko na ta proces vplivamo in pospešimo celjenje. Prav tako bi lahko električna stimulacija pomagala pri popravilu zlomljenih kosti, ker tudi na ta proces vplivajo električna polja.