Pipetten som kan aktivera enskilda hjärnceller

– På sikt skulle den här tekniken kunna användas för att behandla neurologiska sjukdomar som epilepsi med extremt hög precision, säger Daniel Simon, professor vid Linköpings universitet, LiU.

Den mänskliga hjärnan består av cirka 85 till 100 miljarder nervceller. Dessutom finns det ungefär som många celler till i hjärnan som stöttar nervcellernas funktion med till exempel näring, syre och läkning. De kallas gliaceller och kan i sin tur delas i många undergrupper. Mellan cellerna finns ett vätskefyllt utrymme som kallas den extracellulära miljön.

Skillnaden mellan miljön inuti cellerna och den utanför är viktig för cellfunktionen och en bärande del är transporten av olika typer av joner mellan de två miljöerna. Till exempel aktivera nervceller när koncentrationen av kaliumjoner förändras. 

Det är känt sedan tidigare att en förändring i hela den extracellulära miljön påverkar nervcellerna och därmed hjärnans aktivitet. Men det har än så länge varit okänt hur förändringar i jonkoncentrationen lokala påverkan den enskilda nerv- och gliacellen. 

Tidigare försök att ändra den extracellulära miljön har framför allt inneburit att man pumpar i någon form av vätska. Men det innebär att den sköra biokemiska balansen rubbas och det blir svårt att veta om det är ämnet i vätskan, det förändrade trycket eller att den extracellulära vätskan virvlas runt som leder till aktiviteten.

För att komma runt problemet har forskare vid Laboratoriet för organisk elektronik, LOE, vid LiU utvecklat en mikropipett vars diameter endast mäter 2 mikrometer. Som en jämförelse är ett mänskligt hårstrå 50 mikrometer och en nervcell cirka 10.

Med hjälp av den här så kallade jontroniska mikropipetten kan forskarna tillföra endast joner, som kalium och natrium, till den extracellulära miljön för att se hur nervcellerna påverkas. Även gliacellernas aktivitetsmätningar, och då speciella astrocyter. 

– Gliaceller är de celler som andra – kemiska – halvan av hjärnan består av. Och den vet vi inte så mycket om i och med att det inte funnits något sätt att precist aktivera cellerna då de inte svarar på elektriska stimulanser. Men både nervceller och gliaceller går att stimulera kemiskt, säger Theresia Arbring Sjöström, forskare vid LOE.

Försöken gjordes på skivor av hjärnvävnad från möss i den del som kallas hippocampus.

– Nervcellerna svarade inte så snabbt på förändringen i jonkoncentrationen som vi först hade väntat oss. Däremot svarade astrocyterna direkt och väldigt dynamiskt. Först när var ”mättade” aktiverades nervcellerna. Det belysta den finjusterade dynamiken mellan olika typer av celler i hjärnan på ett sätt som andra tekniker inte har lyckats med, säger Theresia Arbring Sjöström.

Lite förenklat kan man säga att pipetten tillverkas genom att ett glasrör värms upp och dras ut till bristningsgränsen. Det leder till en mycket tunn och avsmalnande spets. Den typen av mikropipetter brukar användas inom neurovetenskapen för att skapa och mäta elektrisk aktivitet i hjärnan. 

I LiU-forskarnas jontroniska mikropipett är spetsen fylld med ett specialanpassat så kallat jonbytarmembran vilket gör att den kan användas för att skapa aktivitet på kemisk väg. I övrigt ser den identisk ut med den traditionella mikropipetten, och styrs på liknande vis. 

– Fördelen är att tiotusentals personer världen över är bekanta med verktyget och kan hantera det. Det kan förhoppningsvis göra att det kommer till användning snabbare, säger Daniel Simon.

Nästa steg är att fortsätta studera kemisk signalering i både frisk och sjuk hjärnvävnad med hjälp av mikropipetten.

Forskarna vill också utveckla leverans av läkemedel och studera dess verkan mot neurologiska sjukdomar som bland annat epilepsi. 

Artikel: Miniaturized Iontronic Micropipettes for Precise and Dynamic Ionic Modulation of Neuronal and Astrocytic Activity

Theresia Arbring Sjöström, Anton I. Ivanov, Nariman Kiani, Iwona Bernacka-Wojcik, Jennifer Samuelsson, Helena Saarela Unemo, Dionysios Xydias, SoEvmorfi Lida-giis Psilodimitrakopoulos, Ioannis Konidakis, Kyriaki Sidiropoulou, Emmanuel Stratakis, Magnus Berggren, Christophe Bernard, Daniel T. Simon, Small (2025) , publicerad online 10 mars 2025. DOI: 10.1002/smll.202410906

Studien finansierades bland annat av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Europeiska forskningsrådet, Vetenskapsrådet, Stiftelsen för strategisk forskning, samt EU-programmen Horizon Europe och Horizon 2020. Forskarna Theresia Arbring Sjöström, Magnus Berggren och Daniel Simon är aktieägare i det forskarkontrollerade immateriella rättsföretaget forskning OBOE IPR AB I som äger som patent och forskning relaterad.

Källa: Linköpings universitet.