Tomi Laurilas forskningsämne har många knäppa namn.

"Nanodiamond, nanohorn, nano-lök..., " listar Aalto-universitetets professor, berättar om de många nanoformerna av kol. Laurila använder dessa former för att bygga nya material:små sensorer, bara några hundra nanometer tvärs över, som kan åstadkomma stora saker tack vare sina speciella egenskaper.

För en, sensorerna kan användas för att förbättra behandlingen av neurologiska tillstånd. Det är därför Laurila, Helsingfors universitet Professor Tomi Taira och experter från HNS (Helsingfors och Nylands sjukvårdsdistrikt) letar efter sätt att använda sensorerna för att göra elektrokemiska mätningar av biomolekyler. Biomolekyler är t.ex. signalsubstanser som glutamat, dopamin och opioider, som används av nervceller för att kommunicera med varandra.

"De flesta av de läkemedel som är avsedda för behandling av neurologiska sjukdomar förändrar kommunikationen mellan nervceller som är baserad på signalsubstanser. Om vi ​​hade realtid och individuell information om neurotransmittorsystemets funktion, det skulle göra det mycket lättare att till exempel planera exakta behandlingar, " förklarar Taira.

På grund av deras ringa storlek, kolsensorer kan tas direkt bredvid en nervcell, där sensorerna kommer att rapportera vilken typ av signalsubstans cellen avger och vilken typ av reaktion den inducerar i andra celler.

"I praktiken, vi mäter elektronerna som rör sig i oxidations- och reduktionsreaktioner, " Laurila förklarar funktionsprincipen för sensorerna.

"Fördelen med sensorerna utvecklade av Tomi och de andra är deras hastighet och ringa storlek. Sonderna som används i nuvarande mätmetoder kan jämföras med loggar i cellulär skala – det är omöjligt att använda dem och få en uppfattning om hjärnans dynamik, " sammanfattar Taira.

Återkopplingssystem och minnesspår

För sensorerna, resan från in vitro-tester i glasfat och provrör till in vivo-tester och klinisk användning är lång. Dock, forskarna är mycket motiverade.

"Omkring 165 miljoner människor lider av olika neurologiska sjukdomar bara i Europa. Och eftersom de är så dyra att behandla, neurologiska sjukdomar utgör så mycket som 80 procent av sjukvårdskostnaderna, säger Taira.

Tomi Laurila tror att kolsensorer kommer att ha tillämpningar inom områden som optogenetik. Optogenetik är en nyligen utvecklad metod där en ljuskänslig molekyl förs in i en nervcell så att cellens elektriska drift sedan kan slås på eller av genom att stimulera den med ljus. Några år sedan, en grupp forskare bevisade i den vetenskapliga tidskriften Natur att de hade lyckats använda optogenetik för att aktivera ett minnesspår som hade skapats tidigare på grund av inlärning. Med samma teknik, forskare kunde visa att med en viss typ av Alzheimers, problemet är inte att det inte skapas några minnesspår, men att hjärnan inte kan läsa spåren.

"Så spåren finns, och de kan aktiveras genom att förstärka dem med lätta stimuli, " förklarar Taira men betonar att en klinisk tillämpning ännu inte är verklighet. kliniska tillämpningar för andra tillstånd kan vara närmare. Ett exempel är Parkinsons sjukdom. Vid Parkinsons sjukdom, mängden dopamin börjar minska i cellerna i en viss hjärnsektion, som orsakar typiska symtom som skakningar, stelhet och långsamma rörelser. Med sensorerna, nivån av dopamin kunde övervakas i realtid.

"Ett slags feedbacksystem skulle kunna kopplas till den, så att den skulle reagera genom att ge en elektrisk eller optisk stimulans till cellerna, vilket i sin tur skulle frigöra mer dopamin, " föreställer sig Taira.

"En annan applikation som skulle ha en omedelbar klinisk användning är att övervaka medvetslösa och komatösa patienter. Med dessa patienter, nivån av glutamat fluktuerar mycket, och för mycket glutamat skadar nervcellen – onlineövervakning skulle därför förbättra behandlingen avsevärt.

Atom för atom

Att tillverka kolsensorer är definitivt inte en massproduktionsprocess; det är långsamt och noggrant hantverk.

"I detta skede, sensorerna byggs praktiskt taget atom för atom, " sammanfattar Tomi Laurila.

"Lyckligtvis, vi har många experter på våra egna kolmaterial. Till exempel, professor Esko Kauppinens nanoknoppar och professor Jari Koskinens kolfilmer hjälper till med tillverkningen av sensorerna. Kolbaserade material är huvudsakligen mycket kompatibla med människokroppen, men det finns fortfarande lite information om dem. 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, materialvetenskap, modelling, medicine and imaging. Twenty or so articles have been published on the basic properties of the materials. Nu, the challenge is to build them into geometries that are functional in a physiological environment. And taking measurements is not simple, antingen.

"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.