生きた魚の体内で自ら電極を作る。

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2023年2月25日 18:29

イギリスの科学誌ネイチャー(Nature)は2023年02月23日に、体内の化学反応を利用して導電性高分子に変化する物質が、埋め込み型電子機器を改善する可能性があると報告した。

生きたゼブラフィッシュで実験した注射用ゲルは、ゼブラフィッシュの体内化学反応を利用して、導電性ポリマーに変化することがわかった。

この発見は、脳などの体内組織に移植しても害のない電子デバイスの開発につながる可能性がある、と2023年02月23日付の米科学誌『Science』1が報じている。

Metabolite-induced in vivo fabrication of substrate-free organic bioelectronics

このゲルは、被移植体自身の代謝産物と体内で生成される化学物質を混ぜ合わせると、連鎖反応によって、固いが柔軟性のある材料に変化する。

スウェーデンのリンショーピン大学の材料科学者である共同研究者のマグヌス・ベルグレン(Magnus Berggren, a materials scientist at the Linköping University in Sweden)は、「我々は、この材料を使って、細胞の周りに電極や電子機器を成長させる実験をたくさん行っています」と言う。また、この研究は、最終的には、例えば、脳深部への刺激のための技術を改善したり、損傷した神経の再生を助けることができるかもしれないと付け加えている。

また、体内に埋め込むことができる電子デバイスや回路は、脳と義肢のコミュニケーションを助けたり、記憶力を高めたりと、医療や研究への応用が期待されている。しかし、従来の電子材料は、炎症や傷の原因となり、生体組織の中で劣化し、やがて機能しなくなることが多い。

柔らかく柔軟な電極の開発は進んでいるが、非侵襲的な方法で体内に入れることは難しいとベルグレンは言う。例えば、脳の奥深くに何かを挿入しようとすると、「基本的にはずっと切開させることになります。」と彼は言う。

ベルクレンのチームは、導電性でありながら長期的に安定で、毒性がなく、注入できるような硬さの材料を作りたかった。

開発した混合物には、導電性ポリマーの化学的構成要素と、酵素が含まれている。このゲルを生体組織に注入すると、一般的な代謝産物であるグルコースや乳酸と反応し、ゲルが重合して、柔らかいながらもはるかに硬い材料になる。研究チームは、スウェーデンのルンド大学の化学生物学者ロジャー・オルソン(chemical biologist Roger Olsson at Lund University in Sweden)のグループと共同で、この方法を用いて、生きたゼブラフィッシュ(Danio rerio)のヒレと脳の中にポリマー製の「電極」を生成した。また、ヒルの神経組織や、ニワトリ、ブタ、ウシの筋肉組織にもこの方法を用いた。

この材料は、体内に入るまで重合せず、「コンプライアントで柔らかく、生体適合性がある」ため、一般的な電極材料と生体組織との機械的な差異をなくし、一部の医療インプラントを侵襲的にしていると、ニューヨーク州マンハセットのファインスタイン医学研究所の電気エンジニアであるティミール・ダッタ-チャウドゥリ(Timir Datta-Chaudhuri, an electrical engineer at the Feinstein Institutes for Medical Research in Manhasset, New York)は話す。

別のアプローチ
生体組織の化学反応を利用して、体内で導電性材料を作るというアイデアは新しいものではない。2020年、研究者たちは、線虫Caenorhabditis elegansの遺伝子組み換え神経細胞に発現させる酵素を工学的に作製したことを報告した。これにより、細胞は導電性ポリマーを生成するようになった2。

サウジアラビアのトゥワルにあるアブドラ国王科学技術大学の生物工学者サヒカ・イナル(Sahika Inal, a bioengineer at the King Abdullah University of Science and Technology in Thuwal, Saudi Arabia)は、「この方法は人間には使えない」という。彼女にとって、今回の研究の価値は、ゲルが体内で自然に生成される物質と反応すること、そして生物を遺伝子操作する必要がないことである。「この技術は、オルタナティブな思考を提供するものだと思います。同じ装置のソフトを変えるのではなく、その装置を完全に取り除いて、細胞の中に装置を作ればいいのではないでしょうか。」という。

注射可能な物質を人に試すには、まだ多くの乗り越えなければならない障壁があります。例えば、このポリマーが高い導電性を持っていても、外部の電気源に接続して機能させる方法は今のところない。

また、この方法が安全であることを確認するために、さらに多くのテストを行う必要がある。研究チームは、溶液をゼブラフィッシュの脳に注入した後、ゼブラフィッシュに異常な行動は観察されなかったが、処置後わずか3日間しか動物をモニターしていない。「長期的な慢性反応を調べる必要があります」とサヒカ・イナルは言う。

これまでも、多くの発展途上技術を見てきたが、ほとんど完成前に霧散してきている。

山中教授もテレビにでるタレントになってしまった。

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-00544-w

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https://www.nature.com/articles/d41586-023-00544-w
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adc9998

References
1.Strakosas, X. et al. Science 379, 795–802 (2023).
Article

Google Scholar

2.Liu, J. et al. Science 367, 1372–1376 (2020).
Article

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