ゲルカクテルは体内の糖を利用して生きた魚の電極を「成長」させる

新しい注射用ゲル（写真）は体の糖と反応して生体組織内で電極を「成長」させることができることが、ゼブラフィッシュを使った研究で示された。

トール・バルクド

サイモン・マキン著

2023 年 2 月 23 日午後 4 時 25 分

研究者らは初めて、人体自身の化学反応を利用して生きた魚の組織内で電極を「成長」させ、生物学と機械の境界があいまいになった。

この技術は体内の糖を利用して、組織を損傷することなく、注入されたゲルを柔軟な電極に変えることが実験で示されている。 これらの電極を脳、心臓、尾びれに植え付けたゼブラフィッシュは悪影響の兆候を示さず、ヒルでテストしたゼブラフィッシュは神経を刺激することに成功した、と研究者らが2月24日付けのサイエンス誌に報告した。

いつか、これらの電極は、生物学的システムがどのように機能するかの研究から、ヒューマンマシンインターフェースの改善に至るまで、さまざまな用途に役立つ可能性があります。 また、うつ病、パーキンソン病、その他の症状に対する脳刺激療法などの「バイオ電子医学」にも使用できる可能性があります (SN: 2/10/19)。

ソフト エレクトロニクスは、柔らかく曲線的な生物学と電子ハードウェアの間のギャップを埋めることを目的としています。 しかし、これらの電子機器には通常、亀裂やその他の問題が発生しやすい特定の部品が搭載されている必要があり、これらの機器を挿入すると組織への損傷が避けられません。

「私たちが作ったすべてのデバイスは、より柔らかくするために柔軟性を持たせたとしても、導入すると傷跡が残ります。 それは臓器にナイフを突き刺すようなものです」とスウェーデンのリンシェーピング大学の材料科学者マグヌス・ベルグレンは言う。 瘢痕化や炎症により、時間の経過とともに電極の性能が低下する可能性があります。

組織内でソフトエレクトロニクスを成長させるこれまでの取り組みには欠点がありました。 1 つのアプローチでは、電気信号または化学信号を使用して化学スープから導電性電極への変換に電力を供給しますが、これらのザップも損傷を引き起こします。 2020年の研究では、線虫の細胞を遺伝子組み換えしてその働きをする人工酵素を生成することでこの問題を回避したが、新しい方法では遺伝子組み換えをせずに結果が得られる。

Berggren らの電極は、代わりに体内にすでに存在する自然エネルギー源である糖を利用します。 ゲルカクテルには、糖類（グルコースまたは乳酸塩）と反応して過酸化水素を生成するオキシダーゼと呼ばれる分子が含まれています。 これにより、カクテル内の別の成分である水素ペルオキシダーゼと呼ばれる酵素が活性化され、ゲルを導電性電極に変えるために必要な触媒になります。

「このアプローチはエレガントな化学を活用して多くの技術的課題を克服しています」と、この研究には関与していないピッツバーグのカーネギーメロン大学の生物医学技師クリストファー・ベッティンガー氏は言う。

この技術をテストするために、研究者らは透明なゼブラフィッシュの脳、心臓、尾びれにカクテルを注入した。 ゲルが導電性になると青色に変わり、その成功を視覚的に読み取ることができます。

「美しいのは、それが見えることです。ゼブラフィッシュの尾は色が変わります。青色は導電性ポリマーを示すことがわかっています」と、同じくリンシェーピング大学の材料科学者クセノフォン・ストラコサス氏は言う。 「初めて見たときは『すごい！』と思いました」。

魚には悪影響はないようで、研究者らは組織損傷の痕跡を確認しなかった。 研究チームは部分的に解剖したヒルで、柔らかい電極を介して神経に電流を流すと筋肉の収縮を誘発できることを示した。 最終的には、このようなデバイスは開発中のさまざまなワイヤレス技術と組み合わせることができるでしょう。

ただし、インプラントの長期的な性能についてはまだ判明していません。 「デモンストレーションは印象的でした」とベッティンガー氏は言う。 「まだ分からないのは、電極の安定性です。」 時間が経つと、体内の物質が電極素材と反応して電極素材が劣化したり、有毒物質が生成されたりする可能性があります。

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