Dit artikel is gepubliceerd in Chemisch2Weekblad, 19 mei 2007
Hoe verbind je levende hersencellen met een levenloze chip? Wellicht lukt het door de chip biochemisch zo te vermommen dat hij aantrekkelijk wordt voor de cellen.
In 1963 implanteerde de Spaanse fysioloog José Delgado een elektrische stimulator in de hersenen van een stier. Op een ranch in Cordoba daagde hij het beest vervolgens uit. Terwijl de stier hem aanviel, drukte Delgado op een afstandbediening. Deze stimuleerde een zorgvuldig uitgekiende hersenkern, waarna het beest zijn aanval meteen stopte. De foto’s van Delgado en de stier gingen de hele wereld over. De New York Times sprak over een spectaculaire demonstratie van technologische controle over het brein.
Het onderzoek naar hersenimplantaten voor medische toepassingen kwam in de jaren zeventig en tachtig op een laag pitje te staan, omdat doorbraken uitbleven. Maar inmiddels is het onderzoek naar de hersenchip weer helemaal terug, gesteund door ontwikkelingen in de micro- en nano-elektronica, door een betere kennis van de hersenen en door nieuw biomaterialenonderzoek.
Hersenchips kunnen bijvoorbeeld uitkomst bieden bij mensen met een verlamming. Een patiënt kan dan via zijn gedachten bijvoorbeeld een robotarm of iets anders aansturen. Ook patiënten met een depressie, de ziekte van Parkinson, epilepsie of dwangstoornissen kunnen baat hebben van geïmplanteerde elektroden, die de ziekte op de juiste plek te lijf gaat met subtiele stroomstootjes.
Spijkerbed
Het grootste probleem is echter dat een levende hersencel maar moeilijk contact maakt met een niet-levende chip. Probeer levend weefsel in contact te brengen met niet-biologische materialen, en het liefst keert het weefsel de chip de rug toe. Of elektroden op de chip raken ingekapseld door bindweefsel waardoor de elektrische geleiding afneemt en de cel slechter te prikkelen valt. De grote uitdaging is om een langdurige, stabiele verbinding tussen hersencel en chip te maken; eentje die niet te lijden heeft onder weefselschade of loslatende neuronen.
Hoogleraar neurotechnologie Wim Rutten doet aan de Universiteit Twente onderzoek naar de hersenchip. “Globaal gesproken zijn er twee manieren om een chip met een hersencel te verbinden”, zegt Rutten. “Ofwel je brengt elektroden naar de cellen toe, ofwel je brengt de cellen naar de elektroden toe.”
Op de eerste manier gebruik je een array van een stuk of honderd kleine elektroden: een soort spijkerbed. Dat spijkerbed prik je in een klein gebied van de hersenen. Het idee is om tientallen cellen tegelijk te stimuleren, omdat we wel globaal weten wat verschillende hersengebiedjes doen, maar niet wat elke hersencel afzonderlijk doet. Vijftig tot zeventig procent van al die elektroden komt dicht genoeg bij een cel om deze elektrisch te stimuleren.
De elektroden zijn tweehonderd tot vijfhonderd micrometer lang, tien micrometer breed (ongeveer zo breed als het lichaam van een hersencel), en ze staan honderd micrometer uit elkaar. Zo kreeg de door een steekpartij verlamd geraakte Amerikaan Matthew Nagle in 2004 een brein-computerinterface geïmplanteerd. Nagle mocht het bij wijze van proef een jaar gebruiken. In die tijd kon hij door te denken de cursor op een computerscherm aansturen en zo bijvoorbeeld een tv bedienen of e-mail checken.
Op de tweede manier probeer je idealiter elke cel met een elektrode te verbinden. Dit is een verfijndere methode. Je probeert om celuitlopers uit te lokken om zich aan een elektrode te hechten. Hier ligt ook de grootste chemische uitdaging, vertelt Rutten. “Hoe zorg je ervoor dat celuitlopers goed hechten aan een elektrode? Welke biomaterialen moet je daarvoor gebruiken?”
Adhesie
De elektroden zelf zijn gemaakt van roestvrij staal, platina, goud of iridiumoxide. Om elektrolyse te vermijden, blijven de stroompjes beperkt tot nano- of microampères. Zenuwcellen hebben ook niet meer nodig, mits de elektrode maar dicht genoeg bij het celmembraan zit.
Het lichaam accepteert niet graag vreemde materialen. Onderzoekers moeten daarom moeite doen om de juiste biomaterialen te vinden waarmee een chip wel hersencellen kan verleiden. Rutten: “We bedekken de elektroden met eiwitten die goed passen bij het biologische signaleringsproces van de cel. Bijvoorbeeld coatings van laminine of poly-D-lysine. De stroom gaat gewoon door die monolaag heen. De uitdaging ligt in de adhesie. Cellen plakken normaal aan elkaar doordat er eiwitten door het celmembraan steken. Deze eiwitten koppelen aan uitsteeksels van een andere cel. Wij proberen nu te spelen met een hele familie van koppeleiwitten om uit te zoeken welk eiwit het beste werkt.”
Omdat een driedimensionale spijkerbedchip moeilijk te maken is, proberen onderzoekers nu elektroden in een plat vlak te gebruiken, voorzien van adhesieve lagen en gekweekte neuronen. Een cultured probe heet dat. Rutten: “In een cultured probe combineren we chiptechnologie met cel- en tissue-engineering. We gebruiken conventionele chiptechnologie om op een glasplaatje elektroden en isolatielagen te dampen. We kweken rond elke elektrode een groepje neuronen. Later implanteren we dan het hele zaakje, en lokken we celuitlopers van de zenuwcellen naar iedere elektrode. De gekweekte groepjes neuronen fungeren als lokvogels door de afgifte van natuurlijke groeistoffen. In het lab zijn onderdelen hiervan al geslaagd.”
De ontwikkeling van de ‘cultured probe’ is sterk afhankelijk van de kwaliteit van het contact tussen de cellen en de elektrodesubstraatmaterialen, meestal glas of silicium. Hoe goed is dat contact, en hoe lang houden cellen dat contact vol? Rutten: “In het lab proberen we de adhesie te verstevigen door het aanbrengen van adhesieve chemische coatings: nanolagen van polymeren of eiwitten. Deze lagen moeten zowel aan het substraat als aan de cel hechten. Daarnaast worden de gebieden waar geen hechting moet optreden neurofoob gemaakt. In het algemeen zijn aminegroupen celvriendelijk, en methylgroepen celonvriendelijk. Ook zijn cellen lichtelijk negatief elektrisch geladen, zodat ze met positieve lading vastgehouden kunnen worden.”
Tot dertig dagen gaat het goed, maar uiteindelijk zijn cellen toch erg sterk in het zich weer losmaken, zo is gebleken. Daarom worden nu nog slimmere methoden bedacht, zoals de genoemde koppeleiwitten.
Cellen aan de ketting
Het probleem om hersencellen met een chip te verbinden speelt niet alleen bij het implanteren van een chip in de hersenen, maar ook bij het groeien van hersencellen op een chip, met als doel om zo hun gedrag te bestuderen. Bij het Leuvense interuniversitaire lab voor micro-elektronica en nanotechnologie IMEC is Carmen Bartic groepsleider bio-elektronische systemen. Haar groep werkt onder andere aan het groeien van hersencellen op een chip.
“Onze chips bevatten patronen van cytofiele en cytofobe plekken”, vertelt Bartic. “De cellen willen wel op de cytofiele plekken gaan zitten, maar niet op de cytofobe plekken. Cytofiele plekken bestaan uit een nanometerdunne coating van speciale peptiden, zoals poly-L-lisine en laminine. Zo maken we cytofiele gebiedjes van tien tot vijftien micrometer breed, precies groot genoeg zodat cellichamen er gaan zitten. Deze gebiedjes zijn verbonden via dunne lijntjes, waar de celuitlopers in kunnen groeien. De celuitlopers verbinden de cellichamen met elkaar. Door dit patroon van cytofiele en cytofobe plekken voorkomen we dat de cellen gaan bewegen – iets wat ze normaal wel doen.”
De chip legt de cellen dus als het ware aan de ketting. Typisch zitten er zo’n honderd cellen op een chip, maar het precieze aantal hangt sterk af van de toepassing. “Idealiter kan de chip met elke individuele cel communiceren”, zegt Bartic. “Dat lukt ons tegenwoordig vrij goed.”
In samenwerking met biologen en medici gebruikt het IMEC de cellen op een chip bijvoorbeeld voor onderzoek naar ziekten als Alzheimer of Parkinson. Bartic: “Zo kunnen we onderzoeken wat een bepaalde stof in al die cellen doet. Of we gebruiken de cellen om de werking van geneesmiddelen te onderzoeken.”
Stukje bij beetje wordt er vooruitgang geboekt om dode met levende materie te laten praten. Begin 2007 werd in de VS een siliciumchip in een deel van het geheugensysteem van een rat geïmplanteerd. Het was de eerste keer dat een chip niet alleen signalen uit de hersenen ontvangt, maar ook zorgvuldig berekende signalen terugstuurt. De chip gedraagt zich dus als een soort elektronische bypass in de hersenen. Zo wordt onderzocht of zo’n chip misschien ooit geheugendefecten kan herstellen.
Internet
Onderzoek van Wim Rutten: http://bss.ewi.utwente.nl/people/scientific/wim_rutten.doc/
Het neuroelectronics convergence laboratory van het Vlaamse IMEC: www.imec.be/wwwinter/mediacenter/en/SR2005/html/142373.html
IMEC Bioelectronics: www.imec.be/microsystems/bioelectronics/
Neurotechnology Systems Inc.: www.cyberkinetics.com
Laboratory for Neural Engineering van een van de pioniers, Theodore Berger: www.usc.edu/dept/engineering/neuralengineering/
Onderzoeksgroep van Miguel Nicolelis: www.neuro.duke.edu/faculty/nicolelis/
Artikel over het werk van José Delgado, de pionier van de hersenchip. Met de beroemde foto’s uit 1963 van de stier die zijn aanval stopt: www.wireheading.com/delgado/brainchips.pdf
