Wenn Ihr Körper einen Energieschub braucht, könnte die Lösung bereits in Ihrem Smartphone stecken. Eine neue Studie der University of Chicago nutzt einen Stoff, der vor allem in den Lithium-Ionen-Akkus unserer Geräte zum Einsatz kommt, um neue Wege in der biomedizinischen Technologie zu erschließen.
Lithium spielt im Körper eine wichtige Rolle, doch die orale Einnahme kann unerwünschte Nebenwirkungen haben – daher haben sich zwei Chemielabore der UChicago zusammengetan, um einen Weg zu finden, Lithium genau an die Stellen zu bringen, an denen es benötigt wird. Ihre Studie könnte die Grundlage für zukünftige biomedizinische Technologien zur Behandlung von Schmerzen und Krankheiten bilden.
„Auf den ersten Blick klingt es wie eine verrückte Idee, eine Lithium-Ionen-Batterieelektrode auf lebendes Gewebe zu setzen, aber die Ergebnisse, die wir erzielt haben, sind sehr vielversprechend“, sagte Zhe Cheng, Erstautor der Studie und Doktorand an der UChicago. „Lithium dämpft die Nervenaktivität, was es potenziell sehr nützlich macht – wir haben viele biomedizinische Ansätze, um Nerven präzise zu stimulieren, aber weniger, um sie zu dämpfen, was für die Schmerzlinderung und bei anderen Erkrankungen erforderlich ist.“
Das Versprechen von Lithium
Ärzte wissen seit Jahrzehnten, dass Lithium in der Humanmedizin eingesetzt werden kann. Am häufigsten wird es als Stimmungsstabilisator verwendet, doch es wird unter anderem auch zur Schmerzlinderung, bei der Alzheimer-Krankheit und sogar zur Nervenregeneration erforscht. Das Problem ist, dass Lithium in Tablettenform in alle Teile des Körpers gelangt, nicht nur in die, die es benötigen – was die Nieren und die Leber bei der Ausscheidung des Wirkstoffs belastet.
Um dieses Problem anzugehen, schlossen sich zwei Forscherteams zusammen: Prof. Bozhi Tian, dessen Labor auf die Entwicklung neuer biomedizinischer Geräte spezialisiert ist, und Assoc. Prof. Chong Liu von der UChicago Pritzker School of Molecular Engineering, dessen Labor fortschrittliche Materialien entwickelt.
Sie wandten sich Lithiumbatterien zu, die bereits dafür ausgelegt sind, große Mengen an Lithiumionen zu speichern und diese nur auf Befehl freizusetzen. Nach einigen Tests konzentrierte sich das Team auf Lithium-Eisenphosphat, das in vielen Batterien als Kathode verwendet wird und stabil sowie ungiftig ist. „Außerdem handelt es sich um eine sehr ausgereifte Technologie, sodass wir bereits viel über das Material wissen“, erklärte Liu.
Cheng entwickelte ein winziges, flexibles Pflaster mit Lithium-Eisenphosphat und testete es als Mittel zur Schmerzlinderung. Da Lithium die Nervenaktivität dämpft, bestand ihre Idee darin, das Pflaster in der Nähe eines Nervs zu implantieren und ein kurzes elektrisches Signal abzugeben, das das Pflaster dazu veranlasst, auf Befehl Lithiumionen freizusetzen – wodurch die Nervensignale und damit das Schmerzempfinden reduziert werden.
In Experimenten mit Mäusen und Ratten stellte das Team fest, dass das Pflaster die Nervensignale erfolgreich dämpfte. „Wir haben festgestellt, dass die Aktivität sehr, sehr lokal begrenzt ist“, sagte Cheng. „Das Lithium wandert nicht weit vom Pflaster weg, sorgt aber dennoch für eine lang anhaltende Hemmung der Nervenaktivität.“
Mehr Ionen, mehr Möglichkeiten
Die erste Studie sei ein „Proof of Concept“, so die Wissenschaftler, doch sie hoffen, dass sie den Weg für zukünftige Technologien ebnen könnte. So könnte die Technologie beispielsweise in die elektrische Akupunktur integriert werden, um die Notwendigkeit eines Implantats zu vermeiden.
Ein weiterer Ansatz, so Tian, könnte darin bestehen, den Hauptbestandteil zu wechseln. „Wir haben uns auf Lithium konzentriert, aber wir glauben, dass man potenziell auch andere Ionen verwenden könnte, die im Körper wichtig sind, wie Magnesium, Zink oder Kalzium“, sagte er. „Magnesium ist zum Beispiel wichtig für die Unterstützung der Proteinfaltung und die Stabilisierung der Proteinstruktur. Könnte man es also nutzen, um selektiv Krankheiten zu behandeln, die durch fehlgefaltete Proteine verursacht werden?“
Das Team arbeitet mit dem Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation zusammen, um die Erfindung weiterzuentwickeln.
