O tym, że zjawiska elektryczne pełnią ważną rolę w organizmach żywych, naukowcy wiedzieli już w XVIII wieku. Ostatecznym dowodem na to był eksperyment przeprowadzony przez włoskiego fizyka, lekarza i fizjologa Luigi Galvaniego. Udało mu się pobudzić do pracy mięśnie żaby, przy wykorzystaniu prądu powstałego w czasie burzy z piorunami. Późniejsze doświadczenia, odkrycie i opisanie potencjałów czynnościowych regulujących przesyłanie impulsów nerwowych (1939, Hodgkin i Huxley), tylko potwierdziły, że nasze życie uzależnione jest od prądów płynących w naszych ciałach.

Co jednak zrobić, jeżeli układ nerwowy nie działa tak, jak należy? Jeżeli komórki nerwowe nie przesyłają impulsów tam, gdzie powinny lub impulsy te ulegają degeneracji? Współcześnie coraz więcej osób cierpi z powodu zaburzenia funkcji nerwów, dlatego też jedną z najszybciej rozwijających się gałęzi medycyny jest neuroprotetyka.

Zapanować nad nerwami

Protezowanie układu nerwowego, zwane również neuroprotetyką, to dziedzina nauki łącząca inżynierię biomedyczną z neurobiologią. Jej celem jest zastępowanie uszkodzonych fragmentów układu nerwowego sztucznymi protezami bądź implantami. Do tej pory największym sukcesem neuroprotetyki było stworzenie implantu ślimakowego, pomagającego odzyskać słuch osobom cierpiącym na głuchotę lub poważny niedosłuch. W lżejszych wadach słuchu powszechnie wykorzystuje się aparaty słuchowe, których zadaniem jest wzmacnianie dźwięków otoczenia. Osoby cierpiące na głębokie wady słuchu nie są w stanie poprawnie przetwarzać informacji akustycznej na impulsy elektryczne, dlatego też aparat słuchowy nie jest w stanie im pomóc. Działanie implantu ślimakowego polega na bezpośredniej stymulacji elektrycznej nerwu słuchowego. Dźwięki otoczenia odbierane są przez implant, który sam zamienia je na impulsy elektryczne i gotowy „pakiet” przesyła nerwem słuchowym wprost do mózgu, gdzie impulsy elektryczne są odszyfrowywane i powstaje wrażenie dźwięku. O skuteczności i bezpieczeństwie stosowania implantów ślimakowych świadczy choćby to, że wszczepiono je już ponad 180 tysiącom ludzi na całym świecie. W Polsce w implanty ślimakowe wyposażonych jest 2 tys. osób.

Obecnie trwają również prace nad stworzeniem protezy zastępującej zmysł wzroku. Pierwsze pomysły, jak taka proteza mogłaby wyglądać, sięgają lat 40. ubiegłego wieku. Z czasem różne grupy badaczy zaczęły wprowadzać poprawki i współcześnie kilka zespołów na całym świecie pracuje nad swoimi własnymi protezami. Większość projektów opiera się na układach elektronicznych, które mają działać na podobnej zasadzie jak fotoreceptory, czyli zamieniać bodźce wzrokowe na impulsy elektryczne. Niektórzy naukowcy chcą umieszczać je bezpośrednio w oku, inni w specjalnych okularach-nadajnikach, mających połączenie z odbiornikami w gałce ocznej. Niestety, badania nad protezami wzroku wciąż są w fazie eksperymentalnej.

Szansą dla ludzi cierpiących na choroby Parkinsona, Alzheimera, stwardnienie rozsiane, a także przewlekły ból, na który nie pomagają środki przeciwbólowe, może być tzw. głęboka stymulacja mózgu. Jest to proces, w którym umieszczony w tkance nerwowej implant wysyła impulsy elektryczne do uszkodzonych miejsc. W ten sposób można zarówno pobudzać komórki nerwowe do działania, jak i je blokować. Pobudzanie neuronów sprzyja ich regeneracji, co jest szczególnie istotne dla cierpiących na chorobę Alzheimera. Natomiast blokowanie przesyłania niektórych impulsów pozwala np. powstrzymać drgawki, napady padaczkowe, zmniejszyć odczuwanie bólu.

Gdzie tkwi haczyk?

Protezy neurologiczne zazwyczaj wykonane są z metalu – najczęściej jest to platyna, iryd, złoto, stal chirurgiczna lub molibden. Niestety, organizmy żywe zazwyczaj źle reagują na kontakt z metalami, w związku z czym umieszczenie protez w tkance nerwowej często powoduje reakcje alergiczne i powstawanie stanów zapalnych. Co w takim razie robić? Zastąpić metal innym materiałem? Pomysł nie jest zły, ale implant musi być wytrzymały, trwały, musi też dobrze przewodzić prąd – metal nadaje się do tego celu idealnie. Skoro nie można go zastąpić, to może wystarczyłoby go od tkanki odgrodzić? Taka ochronna powłoka musi spełniać szereg rygorystycznych warunków. Powinna być przewodząca (aby nie przeszkadzać w przekazywaniu impulsów elektrycznych), wytrzymała (aby długo spełniała swoją funkcję), biozgodna (aby była dobrze tolerowana przez organizm) oraz możliwie jak najcieńsza (ze względów ekonomicznych). Naukowcy długo sie zastanawiali, jaki materiał mógłby spełnić te wymagania – wybór padł na polimery przewodzące.

Polimery przewodzące po raz pierwszy zostały opisane w latach 70. XX wieku przez japońskiego naukowca Hideki Shirakawę. Od momentu odkrycia znalazły wiele zastosowań, głównie w elektronice organicznej. Współcześnie spotkać je możemy niemal na każdym kroku, ponieważ obecne są m.in. w wyświetlaczach telefonów komórkowych typu PLED, urządzeniach elektrochromowych (zmieniających kolor w zależności od wielkości przyłożonego napięcia) oraz ogniwach fotowoltaicznych. Ostatnimi czasy okazało się również, że wybrane polimery przewodzące świetnie nadają się do wielu zastosowań biomedycznych. Naukowcy coraz częściej wykorzystują je przy konstruowaniu biosensorów, rusztowań molekularnych, systemów kontrolowanego uwalniania leków oraz pokryć implantów.

Co sprawia, że polimery przewodzące tak dobrze odnajdują się w inżynierii biomedycznej, a w szczególności w neuroprotetyce? Pierwszym aspektem jest biozgodność: najpopularniejsze i najlepiej zbadane polimery przewodzące, polipirol i poli(3,4-etylenodioksytiofen), okazały się neutralne dla organizmów żywych; testy toksykologiczne nie wykazały, aby związki te niekorzystnie oddziaływały na tkanki. Po drugie, materiały te są przewodzące, a więc nie blokują przepływu impulsów elektrycznych pomiędzy implantem a tkanką nerwową. Po trzecie, polimery przewodzące można nakładać bardzo cienkimi warstwami, wykorzystując procedurę polimeryzacji elektrochemicznej – wystarczy w roztworze zanurzyć metalowy implant, przepuścić przez niego prąd, a powierzchnia implantu pokryje się warstwą polimeru o nanometrowej grubości. Jeżeli polimerem przewodzącym pokryje się wytrzymały mechanicznie metalowy implant, całość również powinna cechować się trwałością. Tak więc cztery główne warunki – biozgodność, przewodnictwo, wytrzymałość i względy ekonomiczne – zostają spełnione. Teraz już zmodyfikowany implant można umieścić w organizmie. Ale czy na pewno?

Leczenie na zawołanie

Ochronna warstwa polimerowa zapobiega reakcjom alergicznym, wciąż jednak istnieje możliwość rozwinięcia się stanu zapalnego, a także zakażenia. Czy można zrobić coś, aby im zapobiec? Sam polimer niewiele tu zdziała. A może by tak wykorzystać związki aktywne biologicznie? Ze stanami zapalnymi na pewno dobrze poradzą sobie leki przeciwzapalne, a z zakażeniami – antybiotyki. Jak jednak sprawić, aby znalazły się one dokładnie tam, gdzie ich potrzebujemy? Polimery przewodzące mają bardzo ważną właściwość, która może być tu wykorzystana – cechują się jonowymiennością. Oznacza to, że do ich struktury można wprowadzić związki o budowie jonowej, a następnie, przykładając potencjał elektryczny, uwalniać je do środowiska, w którym są umieszczone. Bardzo wiele związków aktywnych biologicznie ma budowę jonową, np.: deksametazon (anionowy lek przeciwzapalny i przeciwalergiczny), salicylany (anionowe leki przeciwzapalne, przeciwgorączkowe, przeciwbólowe), dopamina (kationowy neuroprzekaźnik), chloropromazyna (kationowy lek psychotropowy). Leki o budowie anionowej zostaną uwolnione po przyłożeniu potencjału ujemnego, który redukuje matrycę polimerową. Natomiast uwalnianiu leków o budowie kationowej sprzyja potencjał dodatni, utleniający polimer. Ważne jest, aby tak dobrać zakres przykładanego potencjału, żeby nie zniszczyć ani matrycy polimerowej, ani struktury unieruchamianego leku.

A więc do dzieła!

Chcąc stworzyć biologicznie aktywne pokrycie implantów, postanowiłam unieruchomić wybrane leki w matrycy zbudowanej z biozgodnego polimeru przewodzącego. Do swoich eksperymentów wybrałam powszechnie znane i często stosowane leki przeciwzapalne (ibuprofen, naproksen) oraz antybiotyki (tetracyklinę, cyprofloksacynę). Po wielu próbach z doborem odpowiednich warunków syntezy udało mi się wytworzyć matrycę polimerową zawierającą w swojej strukturze wspomniane leki. To jednak nie był koniec eksperymentów. Koniecznie należało sprawdzić, jak trwale leki związane są z matrycą polimerową – czy można je z niej uwolnić, jakich warunków do tego potrzeba i jak można ten proces regulować. Interesuje nas bowiem to, aby uwalniać dokładnie tyle leku, ile potrzeba do spełnienia określonej funkcji terapeutycznej. Ograniczenie ilości uwalnianego leku zmniejszy również ryzyko wystąpienia efektów ubocznych.

Okazało się, że w tym przypadku teoria idzie w parze z praktyką i przyłożenie do matrycy polimerowej odpowiedniego potencjału powoduje uwalnianie leku z polimeru. Co więcej, poprzez zmianę potencjału można regulować ilość wydzielanego leku. Możemy więc sami ustalać jego stężenie w organizmie, zgodnie z istniejącą potrzebą. Przyszłość neuroprotetyki może więc wyglądać tak, że po umieszczeniu implantu w tkance nerwowej pacjenta lekarze będą mogli błyskawicznie reagować na zmiany jego stanu zdrowia, dostarczając odpowiednie leki od razu do miejsca, w którym są one potrzebne.

Metalowe implanty wykorzystuje się nie tylko w neuroprotetyce, można je spotkać niemal w każdej dziedzinie medycyny, m.in. w stomatologii, ortopedii i kardiochirurgii. W każdej z nich warunkiem koniecznym jest to, aby implant był wytrzymały i biozgodny; w wielu istotna jest również możliwość dostarczania leków w konkretne miejsce. Wszystko to sprawia, że badania nad unieruchamianiem związków aktywnych biologicznie w przewodzących matrycach polimerowych są tak ważne i przyszłościowe.