Forskare vid Laboratoriet för organisk elektronik, LOE, vid LiU har utvecklat en mikropipett vars diameter endast mäter 2 mikrometer i spetsen. Foto: Thor Balkhed
Forskare vid Linköpings universitet har utvecklat en ny sorts pipett som kan leverera joner till enskilda hjärnceller utan att samtidigt introducera andra störningar i den känsliga miljön utanför cellerna. Att styra koncentrationen av olika joner kring enstaka hjärnceller kan ge viktiga insikter om hur enskilda celler påverkas och hur de samarbetar. Pipetten ska också kunna användas för behandlingar. Studien är publicerad i tidskriften Small.
– 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 lika 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 in 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 aktiveras nervceller när koncentrationen av kaliumjoner förändras.
Det är känt sedan tidigare att en förändring i hela den extracellulära miljön påverkar nervcellernas och därmed hjärnans aktivitet. Men det har än så länge varit okänt hur lokala förändringar i jonkoncentration påverkar den enskilda nerv- och gliacellen.
Tidigare försök att ändra den extracellulära miljön har framför allt inneburit att man pumpar in någon form av vätska. Men det innebär att den sköra biokemiska balansen rubbas och det blir svårt att veta om det är ämnena 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 aktivitet mäts, och då specifikt typen astrocyter.
– Gliaceller är de celler som den 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 de cellerna då de inte svarar på elektrisk stimulans. 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 jonkoncentration som vi först hade väntat oss. Däremot svarade astrocyterna direkt och väldigt dynamiskt. Först när de var ”mättade” aktiverades nervcellerna. Det belyste 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.
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 immaterialrättsföretaget OBOE IPR AB som äger patenten relaterade till forskningen som beskrivs och är moderbolag till Iontronics AB.
Artikeln: 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, Lida-Evmorfia Vagiaki, Sotiris 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
