Het onderzoeksonderwerp van Tomi Laurila heeft veel eigenzinnige namen.

"Nanodiamant, nanohoorn, nano-ui..., " somt de Aalto Universiteitshoogleraar op, vertellen over de vele nanovormen van koolstof. Laurila gebruikt deze vormen om nieuwe materialen te bouwen:kleine sensoren, slechts een paar honderd nanometer in doorsnee, die grote dingen kunnen bereiken vanwege hun speciale eigenschappen.

Voor een, de sensoren kunnen worden gebruikt om de behandeling van neurologische aandoeningen te verbeteren. Daarom is Laurala, Professor Tomi Taira van de Universiteit van Helsinki en experts van HUS (het ziekenhuisdistrict van Helsinki en Uusimaa) zoeken naar manieren om de sensoren te gebruiken voor elektrochemische metingen van biomoleculen. Biomoleculen zijn b.v. neurotransmitters zoals glutamaat, dopamine en opioïden, die door zenuwcellen worden gebruikt om met elkaar te communiceren.

"De meeste medicijnen die bedoeld zijn voor de behandeling van neurologische aandoeningen veranderen de communicatie tussen zenuwcellen die gebaseerd is op neurotransmitters. Als we realtime en individuele informatie hadden over de werking van het neurotransmittersysteem, het zou het veel gemakkelijker maken om bijvoorbeeld precieze behandelingen te plannen, " legt Taira uit.

Door hun kleine formaat, koolstofsensoren kunnen direct naast een zenuwcel worden genomen, waar de sensoren rapporteren wat voor soort neurotransmitter de cel uitzendt en wat voor soort reactie het in andere cellen induceert.

"In praktijk, we meten de elektronen die bewegen in oxidatie- en reductiereacties, " Laurila legt het werkingsprincipe van de sensoren uit.

"Het voordeel van de sensoren die door Tomi en de anderen zijn ontwikkeld, is hun snelheid en kleine omvang. De sondes die in de huidige meetmethoden worden gebruikt, kunnen worden vergeleken met logs op cellulaire schaal - het is onmogelijk om ze te gebruiken en een idee te krijgen van de dynamiek van de hersenen, ’ vat Taira samen.

Feedbacksysteem en geheugensporen

Voor de sensoren de weg van in-vitrotests uitgevoerd in glazen schalen en reageerbuizen naar in-vivotests en klinisch gebruik is lang. Echter, de onderzoekers zijn zeer gemotiveerd.

"Alleen al in Europa lijden ongeveer 165 miljoen mensen aan verschillende neurologische ziekten. En omdat ze zo duur zijn om te behandelen, neurologische ziekten maken maar liefst 80 procent uit van de kosten van de gezondheidszorg, ', vertelt Taira.

Tomi Laurila gelooft dat koolstofsensoren toepassingen zullen hebben op gebieden zoals optogenetica. Optogenetica is een recent ontwikkelde methode waarbij een lichtgevoelig molecuul in een zenuwcel wordt gebracht, zodat de elektrische werking van de cel vervolgens kan worden in- of uitgeschakeld door deze met licht te stimuleren. Een paar jaar geleden, een groep wetenschappers bewezen in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur dat ze erin waren geslaagd optogenetica te gebruiken om een ​​geheugenspoor te activeren dat eerder door leren was gecreëerd. Met dezelfde techniek, onderzoekers konden aantonen dat bij een bepaald type Alzheimer, het probleem is niet dat er geen geheugensporen worden aangemaakt, maar dat de hersenen de sporen niet kunnen lezen.

"Dus de sporen bestaan, en ze kunnen worden geactiveerd door ze te stimuleren met lichtprikkels, ", legt Taira uit, maar benadrukt dat een klinische toepassing nog geen realiteit is. klinische toepassingen voor andere aandoeningen kunnen dichterbij zijn. Een voorbeeld is de ziekte van Parkinson. Bij de ziekte van Parkinson, de hoeveelheid dopamine begint af te nemen in de cellen van een bepaalde hersensectie, die de typische symptomen veroorzaakt zoals tremoren, stijfheid en traagheid van beweging. Met de sensoren het niveau van dopamine kon in realtime worden gevolgd.

"Er zou een soort feedbacksysteem op aangesloten kunnen worden, zodat het zou reageren door een elektrische of optische stimulus aan de cellen te geven, die op zijn beurt meer dopamine zou afgeven, ", stelt Taira voor.

"Een andere toepassing die onmiddellijk klinisch nut zou hebben, is het monitoren van bewusteloze en comateuze patiënten. Met deze patiënten, het niveau van glutamaat fluctueert erg, en te veel glutamaat beschadigt de zenuwcel - online monitoring zou daarom hun behandeling aanzienlijk verbeteren.

Atoom voor atoom

Het vervaardigen van koolstofsensoren is zeker geen massaproductieproces; het is langzaam en nauwgezet handwerk.

"In dit stadium de sensoren worden praktisch atoom voor atoom opgebouwd, " vat Tomi Laurila samen.

"Gelukkig, we hebben veel eigen experts op het gebied van koolstofmaterialen. Bijvoorbeeld, de nanobuds van professor Esko Kauppinen en de koolstoffilms van professor Jari Koskinen helpen bij de fabricage van de sensoren. Carbon-based materials are mainly very compatible with the human body, but there is still little information about them. That's why a big part of the work is to go through the electrochemical characterisation that has been done on different forms of carbon."

The sensors are being developed and tested by experts from various fields, such as chemistry, materiaal kunde, modelling, medicine and imaging. Twenty or so articles have been published on the basic properties of the materials. Nutsvoorzieningen, the challenge is to build them into geometries that are functional in a physiological environment. And taking measurements is not simple, of.

"Brain tissue is delicate and doesn't appreciate having objects being inserted in it. But if this were easy, someone would've already done it, " conclude the two.