Een in Barcelona gevestigde startup genaamd Inbrain Neuroelectronics heeft een nieuw hersenimplantaat gemaakt van grafeen en bereidt zich voor op de eerste menselijke test deze zomer.
Technologie is een soort brein-computerinterface. BCI’s hebben de belangstelling gewekt omdat ze signalen van de hersenen registreren en deze voor analyse naar een computer verzenden. Ze zijn gebruikt voor medische diagnostiek, als communicatieapparatuur voor mensen die niet kunnen praten, en om externe apparatuur te besturen, waaronder robotachtige ledematen. Maar Inbrain is van plan zijn BCI-technologie om te zetten in een therapeutisch hulpmiddel voor patiënten met neurologische problemen zoals de ziekte van Parkinson.
Omdat de Inbrain-chip van grafeen is gemaakt, heeft de neurale interface een aantal interessante eigenschappen, waaronder de mogelijkheid om de hersenen te registreren en te stimuleren. Die bidirectionaliteit komt voort uit het oplossen van een belangrijk probleem met metalen chips die vaak worden gebruikt in de BCI-technologie: Faradaic-reactie. Faradaïsche reacties zijn een speciaal soort elektrochemische processen die plaatsvinden tussen een metalen elektrode en een elektrolytoplossing. Het is namelijk zo dat zenuwweefsel grotendeels bestaat uit waterige elektrolyten. Na verloop van tijd verminderen deze Faraday-reacties de efficiëntie van metaalspaanders.
Dat is de reden waarom Inbrain de metalen die doorgaans in dergelijke chips worden gebruikt, heeft vervangen door grafeen, een materiaal met een hoge elektrische geleidbaarheid. “Metalen hebben Faraday-reacties die ervoor zorgen dat alle elektronen met elkaar interageren, waardoor hun efficiëntie wordt verminderd… om signalen terug naar de hersenen te sturen”, zegt Carolina Aguilar, CEO en medeoprichter van Inbrain.
Omdat grafeen in wezen koolstof is en geen metaal, zegt Aguilar dat de chip 200 keer meer lading kan injecteren zonder een Faradische reactie te veroorzaken. Als gevolg hiervan is het materiaal stabiel gedurende de miljoenen stimulatiepulsen die nodig zijn voor een therapeutisch middel. Hoewel Inbrain nog geen hersenstimulatiechip test, verwacht het bedrijf dat doel op termijn te bereiken.
Volgens Aguilar wordt de op grafeen gebaseerde chip op een wafer geproduceerd met behulp van traditionele halfgeleidertechnologie. In cleanroomfaciliteiten produceert Inbrain een chip van 10 micrometer dik. De chip bestaat uit wat Aguilar ‘grafeen dots’ noemt (niet te verwarren met grafeen kwantumstippen), variërend in grootte van 25 tot 300 micrometer. “Deze micrometerschaal stelt ons in staat een unieke resolutie van decoderingssignalen van de hersenen te verkrijgen, en biedt ons ook micrometerstimulatie of modulatie van de hersenen”, voegde Aguilar eraan toe.
Testen van op grafeen gebaseerde BCI’s
De eerste menselijke patiënttest van het platform zal binnenkort worden uitgevoerd aan de Universiteit van Manchester, Engeland, waar het zal dienen als interface tijdens resectie van hersentumoren. Bij het wegsnijden van een tumor moeten chirurgen ervoor zorgen dat ze geen gebieden zoals taalcentra in de hersenen beschadigen, zodat de patiënt na de operatie geen schade oploopt. “De chip wordt tijdens de tumorresectie geplaatst, zodat hij in zeer hoge resolutie de signalen kan lezen die de chirurg vertellen waar er tumor is en waar geen tumor”, zegt Aguilar. Dit zou chirurgen in staat moeten stellen de tumor met micrometrische precisie uit te snijden, terwijl functionele gebieden zoals spraak en cognitie behouden blijven.
Aguilar voegde toe: “We hebben deze aanpak gevolgd voor onze eerste menselijke test omdat het een zeer betrouwbare en snelle manier is om de veiligheid van grafeen te bewijzen, maar ook om het potentieel aan te tonen van wat het kan doen in vergelijking met de metaaltechnologie die tegenwoordig wordt gebruikt. ”
Aguilar benadrukt dat het Inbrain-team de biocompatibiliteit van de op grafeen gebaseerde chip al heeft getest. “De afgelopen drie jaar hebben we gewerkt aan biocompatibiliteit door middel van verschillende veiligheidsstudies bij grote dieren”, aldus Aguilar. “Dus nu kunnen we deze groene lichten krijgen om dat extra niveau van veiligheid bij mensen te bewijzen.”
Hoewel deze chipproef in Manchester bedoeld is om te helpen bij hersentumoroperaties, zou dezelfde technologie uiteindelijk kunnen worden gebruikt om Parkinson-patiënten te helpen. Daartoe ontving het systeem van Inbrain afgelopen september de Breakthrough Device Designation van de Amerikaanse Food and Drug Administration als aanvullende therapie voor de behandeling van de ziekte van Parkinson. “Voor de behandeling van de ziekte van Parkinson hebben we gewerkt aan verschillende preklinische onderzoeken die redelijk bewijs hebben geleverd van superioriteit ten opzichte van de huidige commerciële technologie op het gebied van [reduction] symptomen van de ziekte van Parkinson”, zegt Aguilar.
Om de ziekte van Parkinson te behandelen, maakt de Inbrain-chip verbinding met de nigrostriatale route in de hersenen die cruciaal is voor beweging. De chip zal eerst een intentiebericht uit de hersenen decoderen dat een stap of armbeweging activeert – iets wat een typische BCI kan doen. Maar de Inbrain-chip kan met zijn micrometrische precisie ook pathologische biomarkers decoderen die verband houden met de symptomen van Parkinson, zoals trillingen, stijfheid en bevriezing van het lopen.
Door deze biomarkers met hoge precisie te bepalen, kan de technologie van Inbrain bepalen hoe goed het huidige behandelregime van een patiënt werkt. In deze eerste versie van de Inbrain-chip worden de symptomen van de ziekte van Parkinson niet rechtstreeks behandeld, maar wordt een betere doelgerichtheid en een vermindering van de hoeveelheid medicijnen die bij de behandeling worden gebruikt, mogelijk gemaakt.
“Patiënten met de ziekte van Parkinson nemen enorme hoeveelheden medicijnen die in de loop van de tijd moeten worden veranderd, alleen maar om gelijke tred te houden met de toenemende weerstand die patiënten ontwikkelen tegen de potentie van het medicijn,” zei Aguilar. “We kunnen het met minstens 50 procent verminderen, en hopelijk nog meer in de toekomst naarmate onze apparaten nauwkeuriger worden.”
Uit artikelen op uw website
Gerelateerde artikelen op internet